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Uma nova aproximação para fototerapia tumoral dirigida: focando a luz através da difusão

Esta candidatura propõe um programa de investigação focado no estudo de novas metodologias para concentrar a luz no interior de meios túrbidos, uma das últimas fronteiras na aplicação do laser na biomedicina. O alvo específico: a fototerapia por activação e destruição de células cancerígenas.
A espinha dorsal da investigação proposta é o desenvolvimento de um método de modulação de fase baseado num algoritmo iterativo capaz de criar uma frente de onda (ou frentes de onda) que invertam a difusão da luz. Este algoritmo será criado, sendo a interrogação e as estratégias de partição da fase pontos críticos a ser considerados. Dois tipos de feixes laser serão considerados (feixes Gaussianos e quase-Bessel) e será analisado o potencial de feixes de baixa coerência na melhoria do método. Os objectivos científicos centrais do projecto são:
– Definir e caracterizar nanopartículas multifuncionais cujo potencial em fototerapia pode ser melhorado pela sua activação em profundidade.
– Desenvolver uma nova metodologia baseada na modelação de fase para concentrar a luz no interior de meios biológicos.
– Desenvolver um simulador capaz de prever a capacidade de concentração para um determinado conjunto de parâmetros.
– Demonstrar a técnica pela sua aplicação experimental em condições bem controladas.
– Demonstrar a técnica in vitro e in vivo.
– Com base nos resultados, avaliar o potencial, limitações e desenvolvimentos futuros da técnica.
Embora a luz seja há muito utilizada em biomedicina, a difusão sempre limitou a sua aplicação. A fototerapia superficial (dezenas de mícron para a epiderme humana) é uma aplicação já bem estabelecida, requerendo métodos intrusivos para entregar a luz quando o alvo se encontra no interior do corpo. Esta última solução remove uma das maiores vantagens na utilização da luz: o seu potencial não intrusivo. Isto tem motivado o desenvolvimento de métodos para concentrar a luz dentro de meios de elevada difusão. No entanto, foi apenas há poucos anos que se iniciou o desenvolvimento de aproximações baseadas na modelação de fase para focar a luz através de meios túrbidos, embora não especificamente em meios biológicos. A ideia: usar um modelador de fase para produzir frentes de onda que invertam a difusão da luz, baseados numa aproximação em ciclo fechado.
Em biofísica, a investigação nesta área tem sido principalmente focada em aumentar a profundidade a que a luz se propaga, com aplicação directa em técnicas de imagiologia como a microscopia e a tomografia. Nestes campos, a luz difusa é colectada e a sua análise permite obter imagens. Para aumentar a profundidade de visualização, várias estratégias têm sido estudadas, dependendo da técnica considerada. Uma, recente, foi desenvolvida para a tomografia de coerência óptica usando feixes quase-Bessel. Estes feixes têm demonstrado a capacidade de auto-reconstrução ao longo do percurso túrbido, permitindo que a luz difundida seja colectada a profundidades superiores.
Neste trabalho propomos desenvolver o princípio da modulação de fase com uma aproximação específica a aplicações biomédicas, em geral, e à fotoactivação, em particular. O pré-condicionamento do feixe laser a um feixe quase-Bessel aumentará a propagação do feixe no meio, embora de uma forma difusa. Então, a técnica de modulação de fase actuará, concentrando a luz aonde necessário.
Espera-se que o uso destes feixes permita diminuir a carga computacional do processo iterativo e permitir a convergência mais rápida para uma solução melhor.
Um simulador permitirá superar uma limitação: a exigência de informação sobre a distribuição de intensidade no plano onde a concentração de luz é necessária. Através da Utilização de programas de projecto óptico e programação científica e através de validação experimental, o simulador permitirá prever o desempenho do método em circuito aberto (como em aplicações reais).
Um modelo numérico será desenvolvido para prever os efeitos da concentração de um feixe de luz nas substâncias consideradas e no meio envolvente.
As instituições proponentes combinam um conjunto de experiências que potenciam o desenvolvimento desta pesquisa. Da FCUL, a força combinada das unidades IBEB, LOLS e CFA utilizará as suas competências na biomedecina e na interacção entre a matéria e a luz. A FCTUNL tem experiência na aplicação de técnicas ópticas no campo da biomedicina com o objectivo de desenvolver novas técnicas e metodologias para as aplicações médicas. O INL (Biophotonics Group) contribuirá com a sua experiência no campo de: fototerapia de células cancerosas; fotoquímica e biofotónica; síntese, caracterização, bio-functionalização de nanopartículas e bioimaging. A COFAC, com o seu Centro de Biociências (CBIOS) contribuirá com a sua experiência nos campos de desenvolvimento de nanopartículas multifuncionais e entrega de medicamentos para terapia tumoral. Testes in vivo serão realizados na Fac. de Farmácia da Univ. de Coimbra.
Investigador Principal: João Miguel Pinto Coelho (IBEB e LOLS)