Física Médica: uma área multidisciplinar€¦ · O que são células-tronco? Células não diferenciadas que tem a capacidade de formar qualquer célula adulta.-coração,fígado,

Física Médica: uma área

multidisciplinarmultidisciplinar

Simone Coutinho Cardoso

IF-UFRJ

• O que é a Física Médica?

– Curso da UFRJ

• Projetos de pesquisa

Simone C. Cardoso

• Projetos de pesquisa

– Hospitalar

– Pesquisador

O que é a Física Médica?

MultidisciplinarMultidisciplinar

Física

Simone C. Cardoso

Física

Ciências Biomédicas

Engenharia

Matemática

IF/UFRJ

Simone C. Cardoso

Periodização do Curso de Física Médica da UFRJ

1o Período 2o Período 3o Período 4o Período 5o Período 6o Período 7o Período 8o Período

Cálculo I Cálculo II Cálculo III Métodos de

Física Teórica I

Física das Radiações I

Conceitos de Mecânica

Quânt. Ultra-som RNM

Física I Física II Física III Física IV Estágio IEN Física das

Radiações II EstatísticaAplicada

Trabalho de fim de curso

Simone C. Cardoso

Física Exp. I Física Exp. II Física Exp. III Física Exp.

IV Radiobiologia e Fotobiologia

Estágio IRD I Estágio HU I Estágio INCA

Top Fís Geral I

Fundamentos de Biologia Celular e

Molecular I

Fundamentos de Biologia Celular e

Molecular II

Física Moderna I

Termodinâmica e Física

Estatística

Estágio IRD II

Estágio HU II

(Med. Nuclear)

Computação Aplicada à

Med.

AnatomiaMédico

Aplicada

Métodos Computacionais

em Física I Biofísica

FisiologiaHumana

Estágio IRD III

Convênio em andamento

DAADDAAD

IntercâmbioIntercâmbio

EstudantesEstudantes

Simone C. Cardoso

EstudantesEstudantes

ProfessoresProfessores

O que faz um físico médico?

Físico médico

Simone C. Cardoso

Hospitalar

Pesquisador

Mercado de trabalho

• Serviço clínico e consultoria

• Pesquisa e desenvolvimento

Simone C. Cardoso

• Pesquisa e desenvolvimento

• Ensino

Radiodiagnóstico• CT• Mamografia• US

• RMN

Radioterapia• Teleterapia

• Braquiterapia

Medicina Nuclear• Diagnóstico

• Tratamento

Simone C. Cardoso

ClínicaClínica

O que faz um físico médico?O que faz um físico médico?

Simone C. Cardoso

O que faz um físico médico?O que faz um físico médico?

Simone C. Cardoso

IMRTIMRT-- FeixeFeixe IntensidadeIntensidade nãonão UniformeUniforme

Simone C. Cardoso

Radiocirurgia

• Modalidade da radioterapia;

• Não invasiva;

Radiocirurgia com Acelerador Linear

Gamma KnifeCyber Knife

PesquisaPesquisa

Métodos em Física Médica

»Experimental

»Monte Carlo»Monte Carlo

»Clínica

Simone C. Cardoso

Espalhamento:

Compton ou elástico

Nenhuma interação

Simone C. Cardoso

Nenhuma interação

Efeito foto-elétrico

Característico do material ou elemento

e

e

E2

E3

E1e

Simone C. Cardoso

Radiação emitida é característica do elemento.

Seção de choque independente do ângulo de

saída do fóton.

θσ 222 cos)(xfr

d

do

Rayleigh=Ω

1

fFZ

i

i=∑=

Simone C. Cardoso

–Seção de choque dependente

do ângulo de espalhamento

–Seção de choque diferencial

varia com o quadrado de Z )(sin398.12

2)sin()(.

3*

2

1

θ

ρ

ψψ

Ex

drrxr

xrx

iesfersimetria

diei

f

i

=

∫⇒

∫∫∫=

∑=

rk.r

–Seção de choque 2fif

20

KN

KNCompton

)sinE

E

E

E(

E

E

2

r

d

d

Sd

d

d

d

θ−+=Ω

σ

Ω

σ=

Ω

σ

Simone C. Cardoso

–Seção de choque

dependente do ângulo de

espalhamento

–Seção de choque diferencial

varia com o número atomico

2

o

c

c

if

ifiKN

F1)q(S

A0243.0

)cos1(398.12E

1

E

1

EEE2d

−=

=λ

θ−λ

=−

Ω

Física e Medicina

• Maior dose de radiação ao volume irradiado

• Danificando o mínimo possível os tecidos sadios

Dose absorvida varia com:

• profundidade

Radioterapia

• profundidade

• tipo de tecido

• energia do feixe

• tamanho de campo

• distância da fonte e sistema de colimação do feixe

Radioterapia

IMRT

Forma do MLC Fluência

• Heterogeneidades

– Mudanças na distribuição de dose

• tipo da heterogeneidade

Variações na absorção do feixe primário e fótons espalhadosVariações na fluência dos elétrons

Radioterapia

• tipo da heterogeneidade• energia da radiação• tamanho de campo de irradiação

SomenteSomente 1010 %% dosdos hospitaishospitais dodo mundomundo tratamtratam oo corpocorpo humanohumano comocomo umum meiomeioheterogêneoheterogêneo..

• Pulmão;• Tumores de cabeça e pescoço: ossos e cavidade de Ar;• Próteses metálicas

Heterogeneidade pulmonar

Simone C. Cardoso

Simone Cardoso

Heterogeneidade óssea na cabeça

Simone CardosoRAU 2011

Estudos demonstram que a radioterapia pós-mastectomia

possui benefícios associados a sobrevida da paciente.

- Maior tempo de vida;

Heterogeneidade metálica

- Menores chances de reincidiva;

MASTECTOMIA + RADIOTERAPIA

Radioterapia pós-mastectomia

• - Reconstrução mamária

-Tumores com diâmetro ≥ 5cm- Pele comprometida- Dissecação inadequada da axila- Margem comprometida- Quatro ou mais linfonodos comprometidos

Falha na reconstrução: 40%



Submetido à Medical Physics: fase de revisão

Braquiterapia de próstata

Casos novos de próstata estimados para o Brasil em 2008:

49.530.

Tumor na fase inicial: pouco sintomático, maior probabilidadecura.

- PSA

33

- PSA- Exame digital retal

Indicações

– Massa da próstata <40g.

– Indicadores químicos: Gleason <6 PSA<10 ng/ml.

– Tumor confinado à cápsula prostática.


34

Vantagens

– 1 dia de hospitalização.

– Anestesia peridural.

– Procedimento pouco invasivo.

– Preservação da função sexual.

Desvantagens

– Custo das sementes (US$ 60,00 cada uma).

Efeitos colaterais


35

– Uretrite (frequente, porém transitória).

– Retenção (rara, tratável).

– Impotência (<17%).

– Retite (rara).

– Migração das sementes (<5%).


1- Ultrassom completo 2 - Marcação do 3 - Digitalização

36

1- Ultrassom completo

da próstata

2 - Marcação do

volume alvo

3 - Digitalização

dos contornos


37

4- Dosimetria Clínica 5 –Avaliação do Plano


38


39

Atividades típicas: 11,1 a 14,8 MBq ou 0,38 a 0,51 U.

T1/2 : 59,4 dias.

Principais energias de fótons: 27,202 keV, 27,472 keV, 30,98 keV,

31,71 keV, 35,492 keV.

Energia média: 28,37 keV.


Implante planejado para entregar uma dose mínima.

Problemas: Edema pós-implante pode favorecer a redução da dose entregue.

Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%.

40

Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%.

Cálculo das distribuições de dose via sistema de planejamento- fontes pontuais.- paciente é considerado um meio homogêneo.- efeito entre as sementes é desprezado.- desprezar a orientação exata das sementes pode

alterar a distribuição das doses.

Pesquisa em Física Médica (Radiação não ionizante)

Terapia FotodinâmicaTerapia Fotodinâmica

Foto ilustrativa de uma aplicação laser Foto ilustrativa de uma aplicação laser da terapia fotodinâmicada terapia fotodinâmicaem carcinoma oralem carcinoma oral

Simone C. Cardoso

Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que vem sendo utilizado para o tratamento em vem sendo utilizado para o tratamento em pacientes.pacientes.

Física e Engenharia ambiental

Simone C. Cardoso

Simone C. Cardoso

Física e Biologia

Uso da Radiação Ionizante como

Ferramenta no Estudo da

Esquizofrenia

O que são células-tronco?

Células não diferenciadas que tem a capacidade de formar qualquer célula

adulta.

- coração, fígado, nervosas, da pele…

• 1980: CTE, derivada da massa interna de embrião de camundongos, foram isoladas pela primeira vez;pela primeira vez;

• Diferenciação in vitro

• geração de proles com carga genética da CTE injetada

• 1990: CTE humanas• teratomas (prova que as células injetadas são realmente pluripotentes, isto é, capazes de formar qualquer tecido).

Pluripotência

Capacidade de diferenciação de todos os tipos de células

Embrionárias Adultas

• 2008 As pesquisas com CTE foram definitivamente aprovadas pelo Supremo Tribunal Federal (STF), em um julgamento histórico.

Naquela época os opositores às pesquisas com CTE já defendiam que as células IPS

Base legal para o estudo

Naquela época os opositores às pesquisas com CTE já defendiam que as células IPS iriam substituí-las.

Não seria mais necessário destruir embriões, afirmavam eles. Mas trabalhosposteriores vem mostrando que esse não é o caso: as células IPS são semelhantes,mas não iguais. E isso tem sido provado justamente comparando-as com as célulaspluripotentes embrionárias.

Qual foi então o grande achado de Yamanaka?

• Estudar todos os tecidos de um paciente, sem usar nenhum método invasivo.

• As células (cobaias) passam a ser o paciente.

• Comparar diferentes tecidos de uma mesma pessoa e verificar como se expressam os genes nas diferentes célulasexpressam os genes nas diferentes células

• Porque um tecido é afetado e outro não?

• Porque pessoas com a mesma mutação genética podem ter quadros clínicos totalmente discordantes?

• Possibilidade de testar diferentes estratégias e drogas para corrigir um defeito genético e observar o efeito diretamente.

Células reprogramadas de espécies em risco de extinção

Nature Methods:

Scripps produziu células iPS de duas espécies ameaçadas de extinção: o macaco mandril (parente do babuíno) e o rinoceronte-branco-do-norte, que atualmente possui apenas oito do-norte, que atualmente possui apenas oito exemplares vivos.

As células-tronco reprogramadas poderão ser utilizadas na geração de gametas funcionais para a reprodução assistida dessas espécies.

Novas ferramentas

• Radiação ionizante

• É aquela capaz de arrancar elétrons de átomos ou moléculas, produzindo íons

• Ex: Raios-X, Gama, elétrons, nêutrons...

• Nível atômico

• Células-tronco:• Nível embrionário

Modelagem de doenças neurais por espectroscopia de

Raios-X utilizando Células-tronco de pluripotência induzida para aplicação

em Medicina Personalizada

• Doenças do cérebro e distúrbios mentais são pouco compreendidas

– Diferentes origens• Doença de Huntington: alterações genéticas

• Alzheimer: acúmulo de monômeros de Aβ e genes relacionados

• Outras desordens: perfil pouco padronizado em termos de alterações fisiológicas.

– Dificuldade de acesso

• Redução dos custos de testes de eficiência de fármacos;

• Permitem o estudo de doenças que ocorram nos estágios embrionários.




• Modelo

– Animal

» Útil na modelagem de doenças que se sabe qual o tipo de alteração ocorre.

» Apesar de termos de levar em consideração as diferenças entre o » Apesar de termos de levar em consideração as diferenças entre o organismo

» Alzheimer: camundongos apresentam acúmulo de Aβ, mas não apresentam os sinais de degeneração neural.

» Ainda, existem desordens em que não se sabe precisamente quais alterações são relativas ao organismo, e quais são relativas ao ambiente ou ao histórico de vida, de modo que a modelagem em animais é complicada e pode ser muito diferente do que ocorre no corpo humano.




• Modelo :

– Cérebros post-mortem

» Biópsias: estágio final da doença

– iPS

» linhagens derivadas de pacientes, quando comparadas ás de indivíduos saudáveis podem ressaltar fenômenos precoces do estabelecimento da doença.

» Personalizada!

Esquizofrenia• Acomete 1/100 indivíduos

• Alta morbidade, mortalidade, incapacitação pessoal e custo socioeconômico

• Diagnosticada na adolescência mas gerada durante o desenvolvimento do

sistema nervoso

• Pouco se sabe sobre os mecanismos fisiológicos e bioquímicos que levam à doença

• Síndrome clínica x única doença• Síndrome clínica x única doença

• Inexistência de tratamentos satisfatórios!!!

• 20-30 % são resistentes ao tratamento com antipsocóticos clássicos

– Efeitos adversos

• Consenso : novos fármacos antipsicóticos com melhor eficácia e segurança.

Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofreniaDoenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia

• Esquizofrenia

– Doença neural

– Reprogramação das células

– iPS saudáveis

– iPS esquizofrênicas

– Células-tronco embrionária– Células-tronco embrionária

• Neuroesferas– Um modelo experimental para estudos da potencialidade das células-tronco neurais

– Agregados celulares que crescem em suspensão na presença de fatores de crescimento,como FGF-2 ( crescimento, como FGF-2 (fifi broblast growth factor-2 broblast growthfactor-2) e EGF (epidermal growth factor);

– Podem diferenciar-se nos três tipos celulares do SNC: neurônios, astrócitos eoligodendrócitos

– Cada neuroesfera é derivada de uma única célula-tronco


• Hipótese:Variações espacias e de concentração de alguns elementos químicos destascélulas tenham relação com erros na diferenciação dos neurônios

• Impacto na origem de doenças neurais


4000

5000

6000

K - lio

colônia

neuroesfera

0

1000

2000

3000

H9 FN EZQ 2

Tratar as neuroesferas com fármacos:Ácido valproico (VPA): diminui o ROS.Clozapina: medicamento clássico da esquizofrenia


[email protected]@if.ufrj.br

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Física Médica: uma área multidisciplinar€¦ · O que são células-tronco? Células não diferenciadas que tem a capacidade de formar qualquer célula adulta.-coração,fígado,