O princípio de terapia fotodinâmica (TFD) foi introduzido por volta de 1900 mas posteriormente investgado como candidato para tratamento de cancer na década de 1970. Desde então, existem diversos trabalhos a respeito do assunto in vitro, in vivo e em estudos clínicos e grandes avanços foram alcançados. Entretanto, alguns desafios ainda não foram superados, como a variabilidade dos resultados. Este trabalho consiste na investigação de suas causas, em que o principal objetivo é avançar o estado da arte em TFD. Para isso foi usado um modelo de distribuição de limiar de dose para avaliar resistência em TFD in vitro. As distribuições de limiar de dose são obtidas pela derivação a curva de dose resposta experimental. Elas são caracterizadas pela sua largura e pela dose que corresponde ao pico, que se relaciona a homogeneidade e resistência intrínseca da população, respectivamente. Na seção 1, é apresentada a avaliação e comparação de dados obtidos de resultados publicados na literatura e, na seção 2, de experimentos realizados pela autora em diferentes linhagens celulares. Da análise da primeira etapa, foi observado que a largura da distribuição é proporcional a dose do pico e foi possível investigar a dependência do resultado da TFD com a linhagem celular, dado um fotossensibilizador (FS). Foi interessante, também, notar que as distribuições de limiar de dose correspondem a curvas de atividade de marcadores celulares de apoptose, como função da dose de luz, para a maior parte das condições analisadas. Dos experimentos realizados pela autora, foi visto que as células normais são as mais resistentes ao dano, seguida das células de câncer resistentes e sua linhagem parental, e que sua resposta foi a mais homogênea. Essas observações foram corroboradas pelas imagens obtidas de microscopia de fluorescência para avaliação da captação de FS, que mostraram que as células tumorais acumulam mais FS que as outras. Portanto, foi mostrado o potencial de se aplicar distribuições de limiar de dose na análise de resultados de TFD in vitro, ela é uma poderosa ferramenta que fornece mais informações que as curvas de dose resposta padrão. / The principle of photodynamic therapy (PDT) was introduced around 1900 but further investigated as a candidate to cancer treatment in the 1970´s. Since then, there are several papers regarding the subject in vitro, in vivo and clinical trials and great advances were achieved. However, some challenges were not yet overcome, such as results variability. This work consists in the investigation of its causes, where the main goal is to advance the state of art of PDT. For that it is being used a threshold dose distribution model to evaluate cell resistance to PDT in vitro. The threshold distributions are obtained by differentiating the experimental dose response curve. They are characterized by its width and the dose that corresponds to the peak which relates to the homogeneity and intrinsic resistance of the population, respectively. In section 1, it is presented the evaluation and comparison of data obtained from published results in literature and, in section 2, of experiments performed by the author in different cell lines. From the analysis in the first part, it was observed that the width of the distribution is proportional to its dose of the peak and it was possible to investigate the dependence of the PDT result with the cell line, given a fixed photosensitizer (PS). It was also interesting to note that the threshold distribution corresponded to the activity curves for apoptotic cell markers as a function of light dose, for most of the conditions analyzed. From the experiments performed by the author, it was seen that the normal cell line was the most resistant one, followed by the resistant cancer cells and its parental cell line, and that its response was more homogeneous. Those finding were supported by the fluorescence microscopy images obtained to evaluate PS uptake, which shown that the tumor cells accumulated more PS than the other ones. Therefore, it was shown the potential of applying the threshold distribution to analyze PDT results in vitro, it is a powerful tool that provides more information than the standard dose response curves.

Síntese, aspectos estruturais, propriedades fotoquímicas, fotofísicas e fotoindução para avaliação citotóxica in vitro de derivados de [Ru (Pc)] (PC = ftalocianina) são descritos neste trabalho. O desenvolvimento ftalocianinas utilizando anéis macrocíclicos, substituídos e não substituídos simetricamente, coordenados com o centro metálico de rutênio permitiu a obtenção de diferentes compostos. Coordenação de ligantes derivados de óxido nítrico (NO) na posição axial do rutênio (II) permitiu obter [Ru(NO)(Pc)(NO2)], um complexo liberador de NO quando submetido ao processo de redução. Os complexos foram caracterizados por FTIR, UV-Vis, 1H RMN e espectrometria de massas. As propriedades fotoquímicas de complexos como ftalocianinas de rutênio (II) têm sido investigadas por fotólise a laser em diferentes comprimentos de onda. Na irradiação de luz em 660 nm em solução aquosa aerada, observamos o fotoprocesso com a produção de oxigênio singleto. Pode-se observar a relação do rendimento quântico de oxigênio singleto e dos fotossensibilizadores utilizados para sua produção. O oxigênio singleto para [Ru (Pc-R)] segue a ordem [Ru(Pc)]> [Ru (Pc-DCBz)]> [Ru(Pc-DMX)] com DCBz = ácido 4-(3,4-dicianofenoxi) benzóico e DMX = 4,5-bis (2,5-dimetilfenoxi) ftalonitrilo. Estudos fotobiológicos são destacados com particular enfoque na irradiação de luz em 660 nm com interesse para aplicações de terapia fotodinâmica (TFD). Neste contexto, temos também a avaliação citotóxica em linhagens de células B16F10 do efeito sinérgico entre NO e oxigênio singleto quando comparado ao complexo [Ru(Pc)], um composto que é apenas produtor de oxigênio singleto. O NO parece potencializar a ação de oxigênio singleto uma vez que em ensaios de viabilidade celular, o complexo [Ru(NO)(Pc)(NO2)] é pelo menos 40% mais ativo que [Ru(Pc)], considerando 8,93 J / cm2 como uma potência. Considerando apenas a produção de oxigênio singleto encontramos a espécie [Ru(Pc-DCBz)] mais citotóxica nas linhagens B16F10 e MCF-7, sob irradiação em 660nm. Com base em todos os estudos, concluímos que citotoxicidade é dependente tanto da localização subcelular quanto do rendimento quântico de oxigênio singleto. A citotoxicidade pode ser reforçada pela produção de NO, seguido por irradiação de luz na janela terapêutica. / Synthesis, structural aspects, photochemistry, photophysical and in vitro photoinduced cytotoxic properties of [Ru(Pc)] (pc = phthalocyanine) derivatives are described in this work. Use of an unsubstituted or symmetrically substituted phthalocyanine ring coordinated to the central ruthenium allowed to obtain different compounds. Coordination of nitric oxide (NO) derivative ligands on axial position of ruthenium(II) ion permitted to obtain [Ru(NO)(Pc)(NO2)] a NO deliver agent under reduction process. The complexes were characterized by FTIR, UV-Vis, 1H NMR and mass spectrometry. The photochemical properties of (phthalocyanine)ruthenium(II) like complexes have been investigated by laser photolysis at different wavelengths. At 660 nm light irradiation in aerated aqueous solution we observed photoprocesses with singlet oxygen production. We have addressed the relationship of the singlet oxygen quantum yield and the photosensitizers used in its generation. The singlet oxygen for [Ru(Pc-R)] follows the order [Ru(Pc)] > [Ru(Pc-DCBz)] > [Ru(Pc-DMX)] with DCBz = 4-(3,4-dicianofenoxy)benzoic acid and DMX = 4,5-bis (2,5-dimethylfenoxy)ftalonitrile. Photobiological studies are highlighted with particular focus on light irradiation on 660 nm with interest for photodynamic therapy (PDT) applications. In this way we also have compared the synergism effect of NO and singlet oxygen production with [Ru(Pc)] as a compound producer of singlet oxygen only by means of cytotoxicity in B16F10 cell line. The NO seems to leverage the singlet oxygen action once [Ru(NO)(NO2)(Pc)] cell viability is at least 40 % more active than [Ru(Pc)] considering 8.93 J/cm2 as a potency. Considering only singlet oxygen production we found [Ru(Pc-DCBz)] more cytotoxic specie in B16F10 and MCF7 cell lines, under irradiation in 660 nm. Based on all studies, we have concluded that citotoxycity is dependent on subcellular localization as well singlet oxygen quantum yield. The cytotoxicity could be enhanced by NO production followed by light irradiation on the therapeutic window.

O câncer de mama apresenta-se como um dos maiores problemas de saúde pública no mundo por ser, entre as mulheres, o primeiro em incidência e o segundo em número de óbitos. Este tipo de câncer apresenta alto grau de recorrência devido a falha no tratamento do tumor primário e o aparecimento de metástases da doença é a principal causa de mortalidade. As estratégias de tratamento nesse estágio não são específicas e comprometem a qualidade de vida das pacientes. A terapia fotodinâmica (PDT) aparece como uma alternativa terapêutica promissora. No entanto, a eficácia da PDT para o tratamento de tumores da mama, bem como os mecanismos que conduzem à morte celular permanecem obscuros. Para este propósito, neste estudo, nos propusemos a investigar mais profundamente os mecanismos moleculares envolvidos na morte celular induzida MB-PDT. Observou-se que a MB-PDT induz massiva morte celular em células tumorais preferencialmente. As células não-tumorigênicas foram significativamente mais resistentes à terapia em comparação com as células malignas. Análises morfológicas e bioquímicas das células em processo de morte apontou para mecanismos alternativos à apoptose clássica. A autofagia induzida por MB-PDT resultou em citoproteção ou citotoxicidade, dependendo do modelo de célula utilizado. No entanto, o comprometimento de uma destas vias não impediu o destino fatal das células tratadas com MB-PDT. Ao analisar os mecanismos de necrose regulada, observamos que a necroptose desempenhou um papel importante na morte celular induzida por MB-PDT. Adicionalmente, nossos resultados mostraram uma localização preferencial do MB nos lisossomos, o que nos levou a analisar o comprometimento destas organelas. Nós demonstramos por meio da atividade de catepsinas no citosol das células tratadas com MB-PDT, evidências de que a permeabilização da membrana lisossomal é outro mecanismo de necrose regulada responsável pelos efeitos citotóxicos da MB-PDT. Além de resistência à morte celular, as células tumorais também desenvolvem mecanismos de evasão do sistema imune. Neste estudo, também demonstramos que a MB-PDT tem o potencial de aumentar o número de células de linfócitos T CD4+. Por fim, também mostramos a eficácia da terapia em induzir morte celular seletiva às células tumorais em um modelo que recapitula a morfologia do epitélio glandular. Em resumo, demonstramos que vários mecanismos de morte celular são ativados por MB-PDT, uma vez que o comprometimento de uma via de morte celular não impediu o destino fatal das células tratadas com MB-PDT. No geral, os resultados obtidos nesta tese apontam a MB-PDT como uma terapia alternativa e eficaz para o tratamento do câncer de mama, exibindo uma ação de amplo espectro em células com diferentes mecanismos de resistência a vias de morte celular clássica, uma propriedade fundamental para uma terapia contra o câncer. Finalmente, as nossas observações destacam o potencial de MB-PDT como uma estratégia altamente eficaz para tratar o câncer de mama com segurança e possivelmente outros tipos de tumores. / Breast cancer is the main cause of mortality among women presenting high recurrence due to primary treatment failure. Photodynamic therapy (PDT) appears as a promising therapeutic alternative. However, the efficacy of PDT to treat breast tumors as well as the mechanisms that lead to tumorigenic cell death remain unclear. For this purpose, in this study, we set out to deeper investigate the molecular mechanisms involved in MB-PDT induced cell death. We observed that MB-PDT differentially induces massive cell death of tumor cells. Non-malignant cells were significantly more resistant to the therapy compared to malignant cells. Morphological and biochemical analysis of dying cells pointed to alternative mechanisms rather than classical apoptosis. MB-PDT-induced autophagy resulted in either cytoprotection or cytotoxicity depending on the cell model used. However, impairment of one of these pathways did not prevent the fatal destination of MB-PDT treated cells. When analyzing regulated necrosis mechanisms, we observed that necroptosis played an important role in MB-PDT-induced cell death. Additionaly, our results have shown preferential lysosomal MB localization. Furthermore, we have also presented evidences that the lysosome membrane permeabilization is another regulated necrosis mechanism responsible for MB-PDT cytotoxic effects. It is known that in addition to resistance to tumor cell killing therapies, malignant cells develop molecular mechanisms in order to evade the immune system. In this study, we have also been able to show that the MB-PDT has the potential to increase the number of T lymphocytes CD4+. Additionally, when using a physiological 3D culture model that recapitulates relevant features of normal and tumor breast tissue morphology, we found that MB-PDT differential action in killing tumor cell was even higher than what was detected in 2D cultures. In summary, we demonstrated that different cell death mechanisms are being activated upon MB-PDT induction, since impairment of only one cell death pathway did not prevent the fatal destination of MB-PDT treated cells. Overall, our observations point MB-PDT as an alternative and effective therapy for breast cancer treatment, displaying a broad-spectrum action on tumors with different resistance mechanisms to classic cell death pathways, a desired property for improving an anticancer therapy. Finally, our observations underscore the potential of MB-PDT as a highly efficient strategy to safely treat breast cancer and possibly other types of tumors.

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da terapia fotodinâmica antimicrobiana (TFDa), utilizando laser de baixa potência, em duas densidades de energia, associado ao azul de toluidina em biofilme de S. mutans. Biofilmes de S. mutans UA159 foram crescidos por 5 dias em discos de resina acrílica (3 mm de diâmetro x 2 mm de altura) a 37&ordm;C 5 % de CO2;. Os espécimes foram divididos aleatoriamente em 4 grupos de tratamento (n=3): Digluconato de clorexidina 0,12% (CHX, controle positivo); Solução salina a 0,89% (NaCl, controle negativo); Terapia fotodinâmica antimicrobiana com azul de toluidina e laser de baixa potência (densidade de energia 320 J/cm&sup2;) (TFDa 320); Terapia fotodinâmica antimicrobiana com azul de toluidina e laser de baixa potência (densidade de energia 640 J/cm&sup2;) (TFDa 640). Os tratamentos foram realizados 2x/dia durante 3 dias. Ao final dos 5 dias, os biofilmes foram coletados e número de bactérias viáveis e a concentração de polissacarídeos extracelulares insolúveis (PECI) e intracelulares (PIC) foram determinadas e analisadas estatisticamente (ANOVA e teste de Tukey, p < 0,05). O tratamento com a TFDa (320 e 640 J/cm&sup2;) reduziu o número de bactérias viáveis em biofilmes de S. mutans, de uma maneira dose-dependente (p < 0,05). Além disso, a TFDa 640 J/cm&sup2;, reduziu a viabilidade bacteriana de forma tão eficaz quanto a CHX (p > 0,05). Em relação a PECI e PIC, os grupos TFDa (320 e 640 J/cm&sup2;) não foram significativamente diferentes de CHX (p > 0,05). Os resultados mostraram que a terapia fotodinâmica antimicrobiana, mediada pelo azul de toluidina e laser de diodo (640 J/cm&sup2;), pode ser uma abordagem utilizada no controle do biofilme dental cariogênico. / The aim of this study was to evaluate the effect of antimicrobial photodynamic therapy (aPDT), using low-power laser, with two energy densities, associated with toluidine blue in S. mutans biofilm. S. mutans UA159 biofilms were grown for 5 days on acrylic resin discs (3 mm diameter x 2 mm height) a 37&ordm;C, 5 % de CO2. The specimens were randomly divided into 4 treatment groups (n = 3): 0.12% chlorhexidine digluconate (CHX, positive control); 0,89% Saline (NaCl, negative control); Antimicrobial photodynamic therapy with toluidine blue and low power laser (energy density of 320 J/cm&sup2;) (aPDT 320); Antimicrobial photodynamic therapy with toluidine blue and low power laser (energy density of 640 J/cm&sup2;) (aPDT 640). Treatments were performed 2x/day for 3 days. At the end of 5 days, the biofilms were collected and the number of viable bacteria and the concentration of insoluble extracellular (IEPS) and intracellular polysaccharides (IPS) were determined and analyzed statistically (ANOVA and Tukey\'s test, p<0.05). Treatment with aPDT (320 and 640 J/cm&sup2;) reduced the number of viable bacteria of S. mutans biofilms in a dose-dependent manner (p<0.05). Furthermore, the aPDT 640 group reduced the bacterial viability as effectively as CHX group (p>0.05). For IEPS and IPS, the aPDT groups (320 and 640 J/cm&sup2;) were not significantly different CHX (p>0.05). The results showed that the antimicrobial photodynamic therapy mediated by toluidine blue and diode laser (640 J/cm&sup2;) may be an approach used to control the cariogenic dental biofilm.

A terapia fotodinâmica (TFD) é uma modalidade de tratamento para o câncer baseado na interação da luz com um agente fotossensibilizador (FS) e o oxigênio molecular presente na célula alvo. A TFD apresenta vantagens sobre os métodos tradicionais de tratamentos como o dano seletivo às células neoplásicas, ausência de intervenção cirúrgica, possibilidade de repetição do procedimento e efeitos colaterais controlados. Uma das limitações da técnica é a profundidade de pouca penetração da luz no tecido biológico e consequentemente o volume tecidual tratado. Uma alternativa para superar esta limitação é o emprego de fonte de luz pulsada que comparativamente a irradiação com luz contínua (CW), apresenta maior potência de pico levando a uma maior profundidade de penetração e maior formação de espécies reativas de oxigênio. O objetivo deste trabalho é a avaliação da TFD utilizando fonte de luz pulsada no regime de femtossegundos através de ensaios in vitro da fotodegradação de dois tipos de FSs e da necrose induzida em fígado sadio de ratos (estudos in vivo). Nos estudos in vitro foram avaliadas a fotodegradação do Photogem (PG - 8&mu;g/mL) e do Photodithazine (PDZ - 6&mu;g/mL), para as irradiâncias de 280, 340 e 400 mW/cm2 com PG, e 15, 56 e 112 mW/cm2 para o PDZ. Nos estudos in vivo foram avaliados o perfil de necrose induzida com as fontes de luz CW e pulsado em modelo animal, que receberam PG e PDZ nas concentrações de 1,5 mg/kg e 1,0 mg/kg, respectivamente. Foram irradiados com 74 mW/cm2 (PG) e 102 mW/cm2(PDZ) e dose total de energia de 150 J/cm2. Posteriormente foi avaliada a dependência de profundidade de necrose com a irradiância (60, 80, 107, 127, 138, 188 e 229 mW/cm2) utilizando PG e com dose total entregue de 150 J/cm2. As fontes de luz empregadas foram um laser de diodo 630 nm (PG), um laser de diodo emitindo em 660 nm (PDZ) e um laser de Ti:Safira, taxa de repetição de 1 kHz, comprimento de onda 800 nm e largura de pulso de 75 fs em associação com amplificador paramétrico óptico (APO) para conversão de comprimentos de onda na região de 400 - 1150 nm. Os experimentos in vitro mostraram que taxa de fotodegradação para o PG foi maior utilizando o laser pulsado do que para o laser CW. Quando utilizado o PDZ, o laser CW promoveu uma taxa de fotodegradação maior do que o pulsado. Nos estudos in vivo, foi observada a necrose induzida com laser pulsado cerca de duas vezes mais profunda do que a induzida pelo laser CW, enquanto necrose induzida pelo laser pulsado com PDZ foi maior do que a do laser CW. No estudo da dependência da profundidade de necrose em função da irradiância, o laser pulsado induziu profundidade de necrose maior do que o laser CW para irradiâncias abaixo de 80 mW/cm2, acima desta irradiância, o laser CW e o pulsado não mostraram diferença significativa. Estes resultados mostram que a combinação da fonte de luz pulsada e PG podem ser consideradas como alternativa para aumentar o volume tecidual tratado, porém, devem-se observar os parâmetros empregados para se obter o maior volume tecidual tratado. O mesmo resultado não foi observado para o PDZ como fotossensibilizador, o que indica uma forte dependência dos mecanismos da TFD com o FS e o regime de iluminação empregado. / Photodynamic therapy (PDT) is a therapeutic modality for cancer based on light, a photosensitizer agent (PS) and molecular oxygen into the target cells. PDT has advantages over traditional treatments, such as, selective damage to tumor cells, absence of surgical intervention, possibility of repeated procedures and controlled side effects. One of the limitations of PDT is the low light penetration in biological tissues and hence the treated tissue volume. An alternative to overcome this limitation is the use of pulsed light sources that compared to continuous (CW) irradiation, present higher peak power leading to a greater penetration depth and enhancing the reactive oxygen species production. The aim of this study is to evaluate PDT using pulsed light source at femtosecond regime through in vitro photodegradation of two PSs types and in vivo induced necrosis in healthy rat liver. In the in vitro study we evaluated the photodegradation of Photogem (PG - 8&mu;g/mL) and Photodithazine (PDZ - 6&mu;g/mL), at different irradiances (280, 340, and 400 mW/cm2 for PG and 15, 56 and 112 mW/cm2 for PDZ). In the in vivo studies the induced necrosis profile with CW laser and Pulsed Laser were evaluated in animal model which received PG (1,5 mg/kg) and PDZ (1,0 mg/kg) and were irradiated with 74 mW/cm2 and 102 mW/cm2, respectively, and the fluence was 150 J/cm2. After that, the dependence of depth of necrosis with irradiance (60, 80, 107, 127, 138, 188 and 229 mW/cm2) with PG and 150 J/cm2 of fluence was evaluated. The light source used in those studies were a 630 and 660 nm diode laser (PG and PDZ excitation light, respectively) and a Ti:Sapphire Regenerative Amplifier laser, 1 kHz repetition rate, 800 nm wavelength and 75 fs pulse width in association with an optical parametric amplifier (OPA) to convert 400-1150 wavelengths. The in vitro results showed that the PG photodegratation rates were greater to pulsed laser when compared with CW laser. When PDZ was used, the photodegradarion rates with pulsed laser were lower than CW laser. In the in vivo studies, the induced necrosis with pulsed laser was twice the induced by CW laser with PG as photosensitizer. When PDZ was used, the induced necrosis was greater for CW laser than for pulsed laser. For different irradiances, the depth of necrosis induced by CW laser was greater than for pulsed laser below 80 mW/cm2, above this, the pulsed and CW laser did not show difference. These results demonstrated that pulsed light and PG can be considered an alternative to enhance the treated tissue volume. The same was not observed to PDZ, which indicate the strong dependence of PDT mechanisms with PS and the light regime applied.

A terapia fotodinâmica (TFD) tem sido utilizada no tratamento de lesões neoplásicas e não-neoplásicas. Sua base é a combinação de três elementos-chave: fotossensibilizador, oxigênio molecular e luz em comprimento de onda que excite o fotossensibilizador, levando-o a gerar espécies reativas de oxigênio que causam danos à estrutura celular. Portanto, a iluminação é um dos fatores essenciais para a indução da resposta adequada. Nos casos de lesões superficiais, a iluminação é facilmente obtida através da irradiação da superfície da mesma. Contudo, no tratamento de tumores sólidos ou invasivos, é preciso recorrer à TFD intersticial, na qual fibras ópticas são inseridas no tumor. No entanto, as diferenças no perfil de emissão de luz a partir das fibras difusoras, dependem do modo de fabricação, tamanho e propriedades, o que dificulta o estabelecimento de uma dosimetria de luz apropriada. Com este estudo, buscou-se contribuir no entendimento de como a luz, emitida por uma fibra difusora, se comporta no meio túrbido, assim como no tecido biológico. Dessa forma, buscou-se prever como a luz se propaga no meio e, assim, poder estimar a dose adequada de luz que se deve entregar ao tecido para que toda uma região seja irradiada. Para isto, foi utilizada uma fibra óptica com um difusor cilíndrico de 20 mm de comprimento emissor, acoplada a um laser de diodo em 630 nm e uma fibra óptica isotrópica de coleta, para medir a intensidade de luz emitida pelo difusor em várias posições. As medidas permitiram obter uma caracterização do perfil de emissão da fibra, sendo o ar o único meio de propagação da luz nesse caso. Posteriormente à obtenção do perfil, uma solução lipídica foi utilizada como phantom de tecido biológico. As fibras foram encapadas de modo a expor somente uma seção de 1 mm de comprimento delas. Com as fibras submersas na solução do phantom, foram realizadas medidas do campo de luz gerado por este elemento de 1 mm de comprimento do difusor. A partir da caracterização da emissão do elemento, foi possível recuperar a distribuição de luz gerada por todo o difusor utilizando composições ponderadas feitas a partir deste elemento. Estas composições apresentaram melhores resultados quando foi considerada a uma prévia caracterização da fibra na ponderação da reconstrução. A TFD foi realizada em fígado de ratos sadios para a análise de uma resposta real e, com o auxílio de ferramentas computacionais, foi possível reconstruir a necrose constituída pela irradiação da fibra toda, a partir da necrose gerada por um elemento difusor de 2 mm da fibra (obtido da mesma forma que o elemento de 1 mm), com resultados também otimizados com o uso da caracterização da fibra como base para a soma ponderada. Os resultados demonstraram que, através da caracterização do perfil de iluminação da fibra difusora e da distribuição de luz em meio túrbido, foi possível definir teoricamente um padrão de necrose semelhante ao observado no modelo animal. Portanto, a reconstituição do perfil obtida possui potencial para permitir melhorias no entendimento e na dosimetria de aplicações intersticiais de luz para TFD. / Photodynamic therapy (PDT) has been used for treatment of several tumor types, and presents best results for surface lesion. Light penetration on biological tissue is one limiting factor in PDT, interfering with the treatment of invasive or solid tumors. In those cases, a possible solution is to use interstitial PDT, in which optical fibers are inserted into the tumor. Cylindrical diffusers have been used for the application of interstitial PDT. However, differences in the diffuser light emission depend on the manufacturing process, size and optical properties of the fiber, which make it difficult to establish light dosimeter. This study aims to determine the distribution of light generated by a cylindrical diffuser in a turbid medium. A solution of lipid emulsion was used as an optical phantom. An optical fiber with a cylindrical diffuser of 2 cm in length was connected to a diode laser 630 nm, and the spatial distribution of light generated by the diffuser was measured by scanning a collector optical fiber. From the measurement of the light field generated by an element (1 mm long) of a 20 mm-long cylindrical diffuser, recovery of the distribution of light generated by the entire diffuser is expected. The results obtained so far show that it is possible to reconstruct the light field of a 20 mm-long cylindrical element diffuser by measuring the light emitted simultaneously by 20 elements of 1 mm. Then, the PDT was done in rat liver to analyze a real response and, with help of computational tools, a necrosis generated by irradiation of all fiber was reconstructed, using a necrosis produced by an element 2 mm long (likewise the element 1mm long). The results showed that knowing the illumination profile of a cylindrical diffuser and the light distribution in turbid medium, it was possible to redefine a shape of necrosis from as animal model theoretically. Therefore, the reconstruction of the profile obtained has potential to improve understanding and the light dosimeter in interstitial PDT.

Silicon nanoparticles are attractive candidates for biological, photovoltaic and energy storage applications due to their size dependent optoelectronic properties. These include tunable light emission, high brightness, and stability against photo-bleaching relative to organic dyes (see Chapter 1). The preparation and characterization of silicon nanoparticle based hybrid nanomaterials and their relevance to photovoltaic and biological applications are described. The surface-passivated silicon nanoparticles were produced in one step from the reactive high-energy ball milling (RHEBM) of silicon wafers with various organic ligands. The surface structure and optical properties of the passivated silicon nanoparticles were systematically characterized. Fast approaches for purifying and at the same time size separating the silicon nanoparticles using a gravity GPC column were developed. The hydrodynamic diameter and size distribution of these size-separated silicon nanoparticles were determined using GPC and Diffusion Ordered NMR Spectroscopy (DOSY) as fast, reliable alternative approaches to TEM. Water soluble silicon nanoparticles were synthesized by grafting PEG polymers onto functionalized silicon nanoparticles with distal alkyne or azide moieties. The surface-functionalized silicon nanoparticles were produced from the reactive high-energy ball milling (RHEBM) of silicon wafers with a mixture of either 5-chloro-1-pentyne in 1-pentyne or 1,7 octadiyne in 1-hexyne to afford air and water stable chloroalkyl or alkynyl terminated nanoparticles, respectively. Nanoparticles with the ω-chloroalkyl substituents were easily converted to ω-azidoalkyl groups through the reaction of the silicon nanoparticles with sodium azide in DMF. The azido terminated nanoparticles were then grafted with monoalkynyl-PEG polymers using a copper catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) reaction to afford core-shell silicon nanoparticles with a covalently attached PEG shell. Covalently linked silicon nanoparticle clusters were synthesized via the CuAAC “click” reaction of functional silicon nanoparticles with α,ω-functional PEG polymers of various lengths. Dynamic light scattering studies show that the flexible globular nanoparticle arrays undergo a solvent dependent change in volume (ethanol> dichloromethane> toluene) similar in behavior to hydrogel nanocomposites. A novel light-harvesting complex and artificial photosynthetic material based on silicon nanoparticles was designed and synthesized. Silicon nanoparticles were used as nanoscaffolds for organizing the porphyrins to form light-harvesting complexes thereby enhancing the light absorption of the system. The energy transfer from silicon nanoparticles to porphyrin acceptors was investigated by both steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy. The energy transfer efficiency depended on the donor-acceptor ratio and the distance between the nanoparticle and the porphyrin ring. The addition of C60 resulted in the formation of silicon nanoparticle-porphyrin-fullerene nanoclusters which led to charge separation upon irradiation of the porphyrin ring. The electron-transfer process between the porphyrin and fullerene was investigated by femto-second transient absorption spectroscopy. Finally, the water soluble silicon nanoparticles were used as nanocarriers in photodynamic therapeutic application, in which can selectively deliver porphyrins into human embryonic kidney 293T (HEK293T) cells. In particular, the PEGylated alkynyl-porphyrins were conjugated onto the azido-terminated silicon nanoparticles via a CuAAC “click” reaction. The resultant PEGylated porphyrin grafted silicon nanoparticles have diameters around 13.5 ± 3.8 nm. The cryo-TEM and conventional TEM analysis proved that the PEGylated porphyrin grafted silicon nanoparticle could form the micelle-like structures at higher concentration in water via self-assembly. The UV-Vis absorption analysis demonstrated that the silicon nanoparticle could reduce the porphyrin aggregation in water which can reduce the photophysical activity of porphyrin. In addition, the nanoparticle complex was capable of producing singlet oxygen when the porphyrin units were excited by light. The cell studies demonstrated that the silicon nanoparticle could deliver the porphyrin drugs into HEK293T cells and accumulate in the mitochondria where the porphyrin could serve as an efficient photosensitizer to kill the cells via mitochondrial apoptotic pathway. / acase@tulane.edu

Photodynamic therapy (PDT) derives its tumour selectivity from preferential photosensitizer accumulation and short light penetration in tissue. However, additional strategies are needed to improve the therapeutic index of PDT in oncological applications where light is delivered interstitially to large volumes (e.g. prostate), or when adjacent normal tissue is extremely sensitive (e.g. brain). Much research to improve PDT's selectivity is directed towards developing targeted photosensitizers. Here, I present two alternative strategies to improve PDT's selectivity, without compromising its efficacy. For interstitial delivery, I investigated whether customizable cylindrical diffusers can be used to deliver light doses that conform better to target geometries, specifically the prostate. Additionally, I examined whether the neuroprotectant erythropoietin, used as an adjuvant to PDT for brain tumours, can reduce the sensitivity of normal tissue, thereby improving treatment selectivity. To determine if tailored diffusers constitute an improvement over conventional ones, I introduce a novel optimization algorithm for treatment planning. I also analyze the sensitivity of the resulting plans to changes in the optical properties and diffuser placement. These results are contextualized by a mathematical formalism to characterize the light dose distributions arising from tailored diffusers. In parallel, I investigate the neuroprotective effects of erythropoietin in PDT of primary cortical neurons in culture and normal rat brain in vivo. I show that the most important parameter determining prostate coverage is the number of diffusers employed. Moreover, while tailored diffusers do offer an improvement over conventional ones, the improvement is likely masked by perturbations introduced by the uncertainties of light delivery. Although these results largely discard the use of tailored diffusers in prostate PDT, significant insight has been gained into PDT treatment planning, and tailored diffusers may still be advantageous in more complicated geometries. Additionally, I show that erythropoietin does not improve survival of PDT-treated neurons PDT, nor reduces the volume of necrosis in vivo, for the ranges of conditions and doses studied. To our knowledge, this is the first time this strategy has been tested in brain PDT and deserves to be investigated further, by using later time-points, functional outcomes, and other neuroprotectants.

Current treatment for spinal metastasis involves a multimodal approach, including bisphosphonates and radiation therapy. Yet, tumour response varies considerably, thus novel treatments or combination therapies are needed to treat these metastases while preserving stability and integrity of the spinal column. Photodynamic therapy (PDT) has been shown to be successful in destroying vertebral osteolytic tumours and enhancing vertebral structure, particularly in combination with bisphosphonates. This thesis aims to evaluate the longer-term effects of PDT alone and in combination with bisphosphonate or radiation therapy on healthy vertebrae, and the short-term effects of PDT combined with radiation therapy on healthy and metastatically-involved vertebrae. The benefits of PDT on vertebral structure, both at short-term and longer-term time-points, were greatest in combination with previous bisphosphonate therapy. Similar effects, to a lesser magnitude, were seen with PDT in combination with radiation therapy. This work supports future translation of PDT for the treatment of spinal metastases.

Current treatment for spinal metastasis involves a multimodal approach, including bisphosphonates and radiation therapy. Yet, tumour response varies considerably, thus novel treatments or combination therapies are needed to treat these metastases while preserving stability and integrity of the spinal column. Photodynamic therapy (PDT) has been shown to be successful in destroying vertebral osteolytic tumours and enhancing vertebral structure, particularly in combination with bisphosphonates. This thesis aims to evaluate the longer-term effects of PDT alone and in combination with bisphosphonate or radiation therapy on healthy vertebrae, and the short-term effects of PDT combined with radiation therapy on healthy and metastatically-involved vertebrae. The benefits of PDT on vertebral structure, both at short-term and longer-term time-points, were greatest in combination with previous bisphosphonate therapy. Similar effects, to a lesser magnitude, were seen with PDT in combination with radiation therapy. This work supports future translation of PDT for the treatment of spinal metastases.