O câncer de pele é uma doença com grande incidência mundial. O tratamento tópico do câncer de pele é uma estratégia desejada uma vez que pode diminuir os efeitos adversos graves causados pelo tratamento cirúrgico e quimioterapia sistêmica. No entanto, os tratamentos tópicos atuais são limitados pela baixa efetividade das formulações em carrear o fármaco até as camadas mais profundas da pele. Desta forma, o ultrassom de baixa frequência (LFU) apresenta-se como um método atrativo, mas ainda pouco estudado, para aumentar a permeabilidade da pele. Portanto, o objetivo desse trabalho foi estudar modificações na composição dos meios de acoplamento do LFU visando aumentar as regiões de transporte localizadas (LTRs) da pele e a permeabilidade do quimioterápico doxorrubicina (DOX) para o tratamento tópico do câncer de pele. Para isso, um hidrogel de Poloxamer (nanogel) enriquecido com nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) contendo DOX foi preparado e caracterizado; diferentes meios de acoplamento, dentre eles os tradicionais, contendo tensoativo, e os inovadores, contendo as NLS ou hidrogéis com diferentes potenciais zeta e viscosidades semelhantes, foram avaliados associados ao LFU para verificar sua influência na formação das LTRs e penetração cutânea de dois fármacos, calceína e DOX; a penetração cutânea da DOX livre e encapsulada em NLS foi quantificada nas diferentes camadas da pele pré-tratada com LFU; e, finalmente, o pré-tratamento mais promissor, LFU associado ao nanogel, seguido da aplicação passiva da DOX incorporada no nanogel foi avaliada in vivo em tumores cutâneos induzidos em camundongos imunossuprimidos. As NLS apresentaram tamanho e PdI de aproximadamente 200 nm e 0,3 respectivamente, com alto potencial zeta catiônico e pH de 3. A incorporação das NLS no nanogel não alterou o tamanho e PdI, no entanto, diminuiu o potencial zeta da formulação e elevou o pH para 5,5. Verificou-se por difração de raios X a baixo ângulo que as NLS continham fases cristalinas lamelares, enquanto o nanogel, fases cristalinas cúbicas, que foram mantidas quando as formulações foram associadas. O uso das NLS e dos hidrogéis, incluindo o nanogel, como meio de acoplamento do LFU modificou consideravelmente a distribuição e número de LTRs na pele em relação aos meios tradicionais. Tanto o número de LTRs quanto a sua distribuição parecem estar relacionados à tensão interfacial e a viscosidade do meio hidrofílico, sendo que a maior viscosidade dos géis gerou maior área de LTRs. O uso do nanogel originou LTRs em 50% da área da pele tratada, área esta 24 vezes maior do que a área de LTRs formada quando o meio de acoplamento convencional, com lauril sulfato de sódio, foi utilizado. Observou-se que a influência das LTRs na penetração de fármacos aniônicos (calceína) e catiônicos (DOX) depende do potencial zeta do hidrogel usado como meio de acoplamento e da dissociação do fármaco. Desta forma, a permeação cutânea da calceína foi menor quando gel aniônico foi utilizado como meio de acoplamento e o inverso ocorreu para a DOX. A penetração da DOX através do estrato córneo da pele pré-tratada com LFU/nanogel aumentou mais de 4 vezes, mas a encapsulação da DOX nas NLS dificultou a passagem da DOX para as camadas mais profundas da pele após o pré-tratamento da mesma com LFU, sugerindo um recuperação da pele desestruturada pelas partículas lipídicas administradas após o pré-tratamento. Nos estudos in vivo, o pré-tratamento da pele com LFU/nanogel seguido da aplicação diárias do nanogel contendo DOX resultou em diminuição de 6 vezes do volume do tumor após 21 dias de tratamento e apenas 5 aplicações do LFU/nanogel. No entanto, a diminuição do volume do tumor só ocorreu quando a sonda do LFU foi posicionada a 10 mm da superfície do tumor. O posicionamento da sonda a uma distância mais próxima do tumor (5 mm) não diminuiu o tamanho do tumor. Conclui-se que a aplicação de LFU com hidrogéis como meio de acoplamento é uma alternativa simples e efetiva para aumentar a penetração de fármacos na pele. Esta penetração pode ser modulada em função do potencial zeta do meio de acoplamento e da posição da sonda do ultrassom em relação à superfície do tumor. Desta forma, o tratamento tópico do câncer de pele usando LFU/nanogel como pré-tratamento é uma estratégia promissora para o tratamento tópico do câncer de pele. / Skin cancer is a disease with high worldwide incidence. Topical treatment of skin cancer is a desired strategy since it can reduce the serious adverse effects caused by surgery and systemic chemotherapy. However, current topical treatments are limited by low effectiveness of the formulations delivery drug to the deeper layers of the skin. Thus, the low frequency ultrasound (LFU) presents itself as an attractive method, but still little studied, to increase skin permeability. Therefore, the objective of this work was to study changes in the LFU coupling medium composition to increase the transport localized region (LTRs) in the skin and the permeability of chemotherapeutic doxorubicin (DOX) for the topical skin cancer treatment. For this, a Poloxamer hydrogel (nanogel) supplemented with solid lipid nanoparticles (SLN) containing DOX was prepared and characterized; different coupling medium, including traditional, containing surfactant, and innovative, containing the NLS or hydrogels with different viscosities and zeta potential similar, were evaluated associated with the LFU to verify its influence in LTRs formation and skin penetration of two drugs, calcein and DOX; skin penetration of free and encapsulated DOX was quantified in the different layers of the LFU pretreated skin; and finally, the most promising pretreatment, LFU associated with nanogel, followed by the passive application of DOX incorporated into the nanogel was evaluated in vivo, in skin tumors induced in immunosuppressed mice. The NLS showed size and PDI of approximately 200 nm and 0.3, respectively, with high cationic zeta potential and pH 3 value. The incorporation of the NLS into the nanogel did not change the size and PDI, however, decreased the zeta potential of the formulation and increased pH value to 5.5. It was found by low angle X-ray diffraction that NLS-containing lamellar crystalline phase while the nanogel, cubic crystalline phases, which were maintained when the formulations were associated. The use of NLS and hydrogels, including nanogel, as coupling medium of LFU substantially modify the distribution and number of the LTRs in the skin compared to traditional medium. Both, LTRs number and distribution may be related to the interfacial tension and viscosity of the hydrophilic medium, hydrogel with higher viscosity produced greater LTRs area. The use of nanogel as coupling medium resulted in LTRs formation in 50% of treated skin area, this area is 24 times larger than the LTR area LTRs formed when conventional coupling medium sodium lauryl sulfate was used. It was observed that the influence of the LTRs in the penetration of anionic drugs (calcein) and cationic (DOX) depends on the zeta potential of the hydrogel used as coupling medium and drug. Thus, the permeation of calcein was lower when anionic gel was used as the coupling medium and the opposite occurred for DOX. DOX penetration through the stratum corneum of the skin pretreated with LFU / nanogel increased more than 4 times but the encapsulation of DOX in the NLS difficult the passage of DOX to the deeper layers of the skin after pre-treatment with LFU, suggesting the recovery of the skin by lipid particles administered after pretreatment. In the in vivo study, pretreatment of the skin with LFU / nanogel followed by the daily application of nanogel containing DOX resulted in a 6-fold decrease in tumor volume after 21 days of treatment with only 5 applications LFU / nanogel. However, the reduction of tumor volume occurred only when the LFU probe was positioned 10 mm from the tumor surface. The positioning of the probe at distance closer tumor (5 mm) has not decreased tumor size. It is concluded that the application of coupling medium hydrogels with LFU is a simple and effective alternative to enhance drug penetration into the skin. This penetration can be adjusted depending on the zeta potential of the coupling means and ultrasound probe position on the tumor surface. Therefore, topical treatment of skin cancer using LFU / nanogel as pre-treatment is a promising strategy for the topical treatment of skin cancer.

O câncer de pele é uma doença com grande incidência mundial. O tratamento tópico do câncer de pele é uma estratégia desejada uma vez que pode diminuir os efeitos adversos graves causados pelo tratamento cirúrgico e quimioterapia sistêmica. No entanto, os tratamentos tópicos atuais são limitados pela baixa efetividade das formulações em carrear o fármaco até as camadas mais profundas da pele. Desta forma, o ultrassom de baixa frequência (LFU) apresenta-se como um método atrativo, mas ainda pouco estudado, para aumentar a permeabilidade da pele. Portanto, o objetivo desse trabalho foi estudar modificações na composição dos meios de acoplamento do LFU visando aumentar as regiões de transporte localizadas (LTRs) da pele e a permeabilidade do quimioterápico doxorrubicina (DOX) para o tratamento tópico do câncer de pele. Para isso, um hidrogel de Poloxamer (nanogel) enriquecido com nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) contendo DOX foi preparado e caracterizado; diferentes meios de acoplamento, dentre eles os tradicionais, contendo tensoativo, e os inovadores, contendo as NLS ou hidrogéis com diferentes potenciais zeta e viscosidades semelhantes, foram avaliados associados ao LFU para verificar sua influência na formação das LTRs e penetração cutânea de dois fármacos, calceína e DOX; a penetração cutânea da DOX livre e encapsulada em NLS foi quantificada nas diferentes camadas da pele pré-tratada com LFU; e, finalmente, o pré-tratamento mais promissor, LFU associado ao nanogel, seguido da aplicação passiva da DOX incorporada no nanogel foi avaliada in vivo em tumores cutâneos induzidos em camundongos imunossuprimidos. As NLS apresentaram tamanho e PdI de aproximadamente 200 nm e 0,3 respectivamente, com alto potencial zeta catiônico e pH de 3. A incorporação das NLS no nanogel não alterou o tamanho e PdI, no entanto, diminuiu o potencial zeta da formulação e elevou o pH para 5,5. Verificou-se por difração de raios X a baixo ângulo que as NLS continham fases cristalinas lamelares, enquanto o nanogel, fases cristalinas cúbicas, que foram mantidas quando as formulações foram associadas. O uso das NLS e dos hidrogéis, incluindo o nanogel, como meio de acoplamento do LFU modificou consideravelmente a distribuição e número de LTRs na pele em relação aos meios tradicionais. Tanto o número de LTRs quanto a sua distribuição parecem estar relacionados à tensão interfacial e a viscosidade do meio hidrofílico, sendo que a maior viscosidade dos géis gerou maior área de LTRs. O uso do nanogel originou LTRs em 50% da área da pele tratada, área esta 24 vezes maior do que a área de LTRs formada quando o meio de acoplamento convencional, com lauril sulfato de sódio, foi utilizado. Observou-se que a influência das LTRs na penetração de fármacos aniônicos (calceína) e catiônicos (DOX) depende do potencial zeta do hidrogel usado como meio de acoplamento e da dissociação do fármaco. Desta forma, a permeação cutânea da calceína foi menor quando gel aniônico foi utilizado como meio de acoplamento e o inverso ocorreu para a DOX. A penetração da DOX através do estrato córneo da pele pré-tratada com LFU/nanogel aumentou mais de 4 vezes, mas a encapsulação da DOX nas NLS dificultou a passagem da DOX para as camadas mais profundas da pele após o pré-tratamento da mesma com LFU, sugerindo um recuperação da pele desestruturada pelas partículas lipídicas administradas após o pré-tratamento. Nos estudos in vivo, o pré-tratamento da pele com LFU/nanogel seguido da aplicação diárias do nanogel contendo DOX resultou em diminuição de 6 vezes do volume do tumor após 21 dias de tratamento e apenas 5 aplicações do LFU/nanogel. No entanto, a diminuição do volume do tumor só ocorreu quando a sonda do LFU foi posicionada a 10 mm da superfície do tumor. O posicionamento da sonda a uma distância mais próxima do tumor (5 mm) não diminuiu o tamanho do tumor. Conclui-se que a aplicação de LFU com hidrogéis como meio de acoplamento é uma alternativa simples e efetiva para aumentar a penetração de fármacos na pele. Esta penetração pode ser modulada em função do potencial zeta do meio de acoplamento e da posição da sonda do ultrassom em relação à superfície do tumor. Desta forma, o tratamento tópico do câncer de pele usando LFU/nanogel como pré-tratamento é uma estratégia promissora para o tratamento tópico do câncer de pele. / Skin cancer is a disease with high worldwide incidence. Topical treatment of skin cancer is a desired strategy since it can reduce the serious adverse effects caused by surgery and systemic chemotherapy. However, current topical treatments are limited by low effectiveness of the formulations delivery drug to the deeper layers of the skin. Thus, the low frequency ultrasound (LFU) presents itself as an attractive method, but still little studied, to increase skin permeability. Therefore, the objective of this work was to study changes in the LFU coupling medium composition to increase the transport localized region (LTRs) in the skin and the permeability of chemotherapeutic doxorubicin (DOX) for the topical skin cancer treatment. For this, a Poloxamer hydrogel (nanogel) supplemented with solid lipid nanoparticles (SLN) containing DOX was prepared and characterized; different coupling medium, including traditional, containing surfactant, and innovative, containing the NLS or hydrogels with different viscosities and zeta potential similar, were evaluated associated with the LFU to verify its influence in LTRs formation and skin penetration of two drugs, calcein and DOX; skin penetration of free and encapsulated DOX was quantified in the different layers of the LFU pretreated skin; and finally, the most promising pretreatment, LFU associated with nanogel, followed by the passive application of DOX incorporated into the nanogel was evaluated in vivo, in skin tumors induced in immunosuppressed mice. The NLS showed size and PDI of approximately 200 nm and 0.3, respectively, with high cationic zeta potential and pH 3 value. The incorporation of the NLS into the nanogel did not change the size and PDI, however, decreased the zeta potential of the formulation and increased pH value to 5.5. It was found by low angle X-ray diffraction that NLS-containing lamellar crystalline phase while the nanogel, cubic crystalline phases, which were maintained when the formulations were associated. The use of NLS and hydrogels, including nanogel, as coupling medium of LFU substantially modify the distribution and number of the LTRs in the skin compared to traditional medium. Both, LTRs number and distribution may be related to the interfacial tension and viscosity of the hydrophilic medium, hydrogel with higher viscosity produced greater LTRs area. The use of nanogel as coupling medium resulted in LTRs formation in 50% of treated skin area, this area is 24 times larger than the LTR area LTRs formed when conventional coupling medium sodium lauryl sulfate was used. It was observed that the influence of the LTRs in the penetration of anionic drugs (calcein) and cationic (DOX) depends on the zeta potential of the hydrogel used as coupling medium and drug. Thus, the permeation of calcein was lower when anionic gel was used as the coupling medium and the opposite occurred for DOX. DOX penetration through the stratum corneum of the skin pretreated with LFU / nanogel increased more than 4 times but the encapsulation of DOX in the NLS difficult the passage of DOX to the deeper layers of the skin after pre-treatment with LFU, suggesting the recovery of the skin by lipid particles administered after pretreatment. In the in vivo study, pretreatment of the skin with LFU / nanogel followed by the daily application of nanogel containing DOX resulted in a 6-fold decrease in tumor volume after 21 days of treatment with only 5 applications LFU / nanogel. However, the reduction of tumor volume occurred only when the LFU probe was positioned 10 mm from the tumor surface. The positioning of the probe at distance closer tumor (5 mm) has not decreased tumor size. It is concluded that the application of coupling medium hydrogels with LFU is a simple and effective alternative to enhance drug penetration into the skin. This penetration can be adjusted depending on the zeta potential of the coupling means and ultrasound probe position on the tumor surface. Therefore, topical treatment of skin cancer using LFU / nanogel as pre-treatment is a promising strategy for the topical treatment of skin cancer.

Low intensity and low frequency ultrasound has been shown to modulate ion channel currents, membrane capacitive currents, and as a result, neuronal activity. Ultrasound has been used as a non-invasive way to modulate neuronal activity in vivo using mice as well as human subjects. Ultrasound with acoustic frequency as low as 0.35 MHz can be focussed on a region as small as 2 mm with reversible effects and no increase in temperature. In this study, two ultrasound transducers with different resonant frequency have been used to excite neuronal cultures. The resulting changes in the network properties such as synchronised network burst frequency, density, clustering and path length have been analysed. The study shows that ultrasound stimulation at acoustic frequency 450 kHz (ISPPA =11.3 mW/cm2) significantly modulates the above mentioned parameters and causes deviations from small world network properties of the control network.

In der Aquakultur sind Kreislaufanlagen ein umweltfreundliches und wassersparendes Produktionsverfahren. Hohe Besatzdichten und das Prinzip der Wasserführung im Kreislauf führen jedoch auch zu einem erhöhten Risiko von Infektionskrankheiten. In dem hier beschriebenen Projekt wurde untersucht, wie sich niederfrequenter Ultraschall (nf-US) in Kombination mit der in der Aquakultur bewährten UV-C Bestrahlung zur Kontrolle von Pathogenen einsetzen lässt. Es wurden vergleichende Untersuchungen zur Effizienz von nf-US, UV-C und deren Kombination gegen prokaryotische und eukaryotische Modellorganismen durchgeführt. Während sich UV-C als sehr effektiv gegen Bakterien erwies, konnte die Gesamtkeimzahl mit nf-US nicht reduziert werden. Eine Vorbehandlung des Wassers mit nf-US verringerte jedoch die mittlere Größe der im Wasser suspendierten Partikel und konnte so die Effektivität von UV-C zur Inaktivierung von Bakterien verbessern. Zur Abtötung eukaryotioscher Organismen wird eine deutlich höhere UV-Dosis als zur Kontrolle von Bakterien benötigt. Eine starke Erhöhung der UV-C Dosis ist jedoch durch die dann mögliche photo-induzierte Bildung von Nitrit aus Nitrat limitiert. Alternativ könnte nf-US zur Abtötung eukariotischer Parasiten verwendet werden. Unterschiedlichen Organismen unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber nf-US, wobei sich die dosisabhängige Abtötung sehr gut mit Funktionen einer exponentiellen Abnahme beschreiben lässt. Die toxikologische Untersuchung des mit UV-C und/oder nf-US behandelten Wassers mit dem Fischeitest und dem Leuchtbakterientest ergab keinen Hinweis auf die Bildung toxischer Nebenprodukte. Diese Studie zeigt, dass nf-US mit Dosen, die gegen eine Vielzahl an Parasiten wie Ciliaten, Nematoden und Crustaceen wirksam sind, sicher eingesetzt werden kann. Die Kombination von nf-US und UV-C könnte ein geeignetes Verfahren sein, um alle relevanten Pathogene in Kreislaufanlagen zu kontrollieren. / Recirculating aquaculture systems are well-known as environmentally friendly and high water-efficient production systems. The high stocking densities and low water exchange leads to an increased risk of infectious diseases. In this project the combination of low frequency ultrasound (LFUS) with ultraviolet-C (UV-C) light for the control of pathogens was studied. A comparative study about the efficiency of LFUS, UV-C and their combination against prokaryotic and eukaryotic model organisms was performed. Against bacteria, the application of UV-C was very effective, while the application of LFUS was not effective. However, a pretreatment of the water with LFUS decreased the average size of the suspended particles and improved the bactericidal effect of UV-C light. Compared to the low bactericidal dose of UV-C, a much higher UV-C dose was required for inactivation of eukaryotic model organisms. A significant increase of UV-C dose, however, can be limited by the possible photo-induced formation of nitrite from nitrate. Alternatively, LFUS can be used to kill eukaryotic parasites. However, the efficiency of LFUS differed greatly between species and can be well described by functions of an exponential decay. The evaluation of whole effluent toxicity by using the fish egg test and luminescent bacteria test revealed no evidence of toxic disinfection by-products formation during UV-C irradiation and/or LFUS sonication. This study shows that LFUS can be applied safely at energy densities that are effective against a wide range of eukaryotic parasites like ciliates, nematodes and crustaceans. The combination of LFUS and UV-C could provide an appropriate water treatment with respect to all relevant pathogens in recirculating aquaculture systems.