Melanoma is a pigmented tumor that originates from the melanocytes; pigmented cells present throughout the body, including skin and iris. The cutaneous form is the most common type, and it represents about 5% of the skin tumors diagnosed in Brazil. Although it does not have a high incidence, it represents about 80% to 85% of all skin tumor deaths. The second most frequent type of melanoma is ocular. It represents 5% of all melanoma cases and is a potentially lethal disease, especially when it causes metastasis. The main therapeutic approach for melanomas, in general, is surgery, with resection of the cutaneous lesion or enucleation in the case of ocular melanoma. Other techniques such as adjuvant immunotherapy, palliative chemotherapy, and radiotherapy are also used. However, they have low efficacy and several side effects. Photodynamic therapy is a therapeutic modality based on the interaction of light at specific wavelength and photosensitizer, in the presence of molecular oxygen, leading the cell to death. As melanoma is a pigmented cancer, it usually does not respond well to photodynamic therapy due to the high absorption of light on the surface of the tumor, making volumetric eradication impossible. This project investigated optical strategies for the diagnosis and treatment of melanoma. For the diagnosis, it was evaluated the fluorescence lifetime technique to differentiate melanoma and normal skin. A sensitivity of 99.4%, specificity of 97.4% and accuracy of 98.4% were achieved using linear discrimination analysis. For the cutaneous melanoma treatment, PDT combined to optical clearing agents (OCAs) was investigated. Vascular and cell-target photosensitizers were evaluated combined or not to OCAs. OCA improved PDT response in all pigmented tumors treated, but the best results were achieved when a dual-photosensitizer treatment combined to OCA was performed. The treatment of conjunctival melanoma was conducted using 2-photon excitation photodynamic therapy. The advantage of this technique is the use of infrared light, in a wavelength that melanin has a low absorption, improving the light penetration into the tumor. The tumor histology shows that apoptosis was induced only at the treatment site, with no damage to the surrounding tissue. Additionally, a single TPE-PDT session could treat the entire tumor. / O melanoma é um tumor pigmentado que surge dos melanócitos, células pigmentadas presentes em todo o corpo, incluindo a pele e a íris. A forma cutânea é a mais comum e representa cerca de 5% dos tumores cutâneos diagnosticados no Brasil. Embora não tenha uma alta incidência, representa cerca de 80% a 85% de todas as mortes por tumor de pele. O segundo tipo de melanoma mais frequente é o ocular. Representa 5% de todos os casos de melanoma e é uma doença potencialmente letal, especialmente em casos de metástase. A principal abordagem terapêutica para melanomas, em geral, é a cirurgia, com ressecção da lesão cutânea ou enucleação no caso do melanoma ocular. Outras técnicas, como imunoterapia adjuvante, quimioterapia paliativa e radioterapia também são usadas, porém, apresentam baixa eficiência e muitos efeitos colaterais. A terapia fotodinâmica é uma modalidade terapêutica baseada na interação da luz em um comprimento de onda específico e um fotossensibilizador, na presença de oxigênio molecular, levando a célula à morte. Como o melanoma é um câncer pigmentado, geralmente não responde bem à terapia fotodinâmica devido à alta absorção de luz na superfície do tumor, impossibilitando a erradicação volumétrica. Este projeto investigou estratégias ópticas para o diagnóstico e tratamento do melanoma. Para o diagnóstico, foi avaliada a técnica de tempo de vida de fluorescência para distinguir melanoma de pele normal. Utilizando análise de discriminação linear, obteve-se uma sensibilidade de 99,4%, especificidade de 97,4% e precisão de 98,4%. Para o tratamento de melanoma cutâneo, a PDT combinada com clareadores ópticos (OCAs) foi investigada. Um fotossensibilizador que tem como alvo vaso sanguíneo e um fotossensibilizador de alvo celular foram avaliados combinados ou não com OCAs. OCAs são soluções hiperosmóticas que desidratam o tecido, diminuindo o espalhamento da luz e melhorando a penetração de luz em profundidade. OCA melhorou a resposta de PDT em todos os tumores melanóticos tratados, mas os melhores resultados foram obtidos quando a PDT foi realizada com a combinação dos fotossensibilizadores e clareador óptico em uma única sessão. O tratamento do melanoma conjuntival foi realizado utilizando a terapia fotodinâmica por excitação de 2 fótons (TPE-PDT). A vantagem desta técnica é o uso de luz na região do infravermelho, em um comprimento de onda que melanina tem baixa absorção, melhorando a penetração de luz no tumor. A histologia do tumor mostrou que a apoptose foi induzida apenas no local do tratamento, sem danos no tecido adjacente. Além disso, uma única sessão de TPE-PDT foi capaz de tratar todo o tumor.

Nesta tese serão discutidos alguns aspectos químicos, fotoquímicos e fotofísicos importantes no desenvolvimento de fotossensibilizadores para aplicação em terapia fotodinâmica (TFD). Os estudos abrangeram a investigação de 29 espécies, sendo que 20 delas continham um anel porfirínico convencional e 9 eram porfirinas duplamente N-confusas. As primeiras foram sintetizadas para apresentarem diferentes números e tipos de substituintes catiônicos coordenados à posição meso do anel porfirínico, mais especificamente as meso(N-4-piridil)fenilporfirinas e as meso(N-3-piridil)fenilporfirinas contendo um, dois (em trans), dois (em cis), três e quatro grupos [Ru(bipy)2Cl]+ ou CH3+ (figura 1). Em contraste com as porfirinas convencionais. as outras 9 estruturas consistiram das formas protonadas, neutras e desprotonadas de porfirinas que exibem dois anéis pirrólicos adjacentes voltados para fora do anel porfirínico, mais especificamente a base livre (H2N2CP) e os respectivos complexos de prata (AgHN2CP) e de cobre (CuHN2CP). Esta peculiaridade estrutural permite coordenar metais de transição por meio de dois átomos de carbono e dois de nitrogênio, estabilizando fortemente íons metálicos em estados de oxidação anormalmente elevados como Ag3+ e Cu3+. Os dois nitrogênios pirrólicos externos ao anel são susceptíveis tanto a protonação quanto a desprotonação, possibilitando a modulação das propriedades eletrônicas desses compostos por simples alteração no pH do meio. De um modo geral, a acidificação das amostras perturbou mais significativamente suas propriedades fotoquímicas que a desprotonação. Em especial, as espécies neutras metaladas apresentaram bandas bastante intensas na região fototerapêutica de 600 a 750 nm, além de um elevado rendimento quântico de formação de oxigênio singlete (ΦΔ > 0,90 para o complexo Ag(III)). Todavia, um processo de fotodecomposição atribuído ao ataque do 1O2 formado, também foi observado. Ambos os processos, ΦΔ e fotodecomposição, parecem ser modulados pelo metal coordenado no centro do anel. Tanto a coordenação de Ag(lII) como Cu(lII) aumentou o ΦΔ, provavelmente devido ao efeito do metal pesado sobre o cruzamento interssistema. Todavia, verificou-se que o derivado AgHN2CP é muito menos reativo que o CuHN2CP e a base livre. Os motivos deste comportamento ainda não são completamente compreendidos, mas é evidente que o complexo de Ag(lII) apresenta melhores propriedades fotodinâmicas que as demais. Em comparação com as porfirinas duplamente N-confusas, as demais 20 porfirinas catiônicas são muito mais solúveis em água. Neste caso, o enfoque dos experimentos foi direcionado às aplicações biológicas propriamente ditas. Assim, além das propriedades fotofísicas associadas à formação de oxigênio singlete (1O2), também foram exploradas a influência do número dos substituintes periféricos sobre a ligação e danos fotooxidativos provocados em eritrócitos, lipossomos, mitocôndrias e células cancerígenas. Os resultados de ΦΔ mostraram ser inversamente proporcionais ao número de cargas positivas, para as porfirínas contendo grupos N-4metilpiridíniom. Estas diferenças foram consistentes com os efeitos de agregação, causados pela formação de dímeros ou oligômeros, no caso das espécies mais hidrofóbicas. Os coeficientes de partição em n-octanol/água (logPOA) corroboraram estes resultados, apresentando uma dependência inversamente proporcional ao número de cargas positivas ou proporcional ao número de resíduos fenila. As eficiências de ligação à bicamada lipídica mitocondrial, lipossomal e celular e os processos de peroxidação lipídica fotoinduzidos mostraram uma dependência proporcional aos valores de logPOA, exceto para as porfirinas contendo complexos de rutênio. O comportamento não linear neste último caso pode estar associada a dissociação da ligação rutênio-porfirina, devido a elevada força iônica das soluções fisiológicas utilizadas. Neste caso, a descoordenação dos complexos periféricos deve promover uma drástica diminuição da solubilidade do composto. Por este motivo os experimentos foram conduzidos somente com as espécies metiladas. No caso, de mitocôndrias isoladas verificou-se que a interação também apresenta uma razoável participação do potencial de membrana. De fato, quando a mitocôodria estava energizada foi observado um acréscimo de 15% no acúmulo da 3P2cMe em comparação com à mitocôndria desacoplada. Para as demais porfirinas houve um menor acúmulo com o aumento do número de resíduos N-3-metilpirídínio. Em todos os experimentos, um comportamento diferenciado foi observado no caso dos isômeros dicatiônicos. A espécie com cargas dispostas nas posições cis (3P2cMe) apresentou praticamente o dobro de eficiência que o correspondente isômero trans (3P2tMe). Este comportamento parece consistente com uma maior penetração da primeira espécie na bicamada lipídica, proporcionado pelo caráter antipático de sua estrutura química. Os resultados apresentados neste estudo mostraram que estas séries de meso-porfirinas catiônicas constituem sistemas bastante interessantes para a compreensão dos efeitos estruturais envolvidos na ação fotodinâmica dos compostos sobre membranas lipídicas, devido à possibilidade de modulação da relação hidrofilicidade/lipofilicidade, sem alterar significativamente a eficiência na formação de 1O2. Além disso, a disposição espacial das cargas positivas na estrutura do fotossensibilizador demonstrou ser extremamente crítica no processo de ancoragem do mesmo na membrana celular ou mitocondrial e consequentemente em causar efeitos fotooxidativos mais eficientemente. As porfirinas contendo grupos 3-metilpiridínio apresentam vantagens sobre as 4-metilpiridínio, normalmente estudas, por serem mais hidrofílicas, terem menor tendência de agregação e possuírem similar atividade fotodinâmica. Em especial, a estrutura anfipática da 3P2cMe associada a sua elevada formação de 1O2 e estabilidade lhe conferem uma interessante potencialidade como agente fototerapêutico. / In this thesis the chemical, photochemical and photophysical relevant aspects for the development of new photosensitizers for photodynamic therapy applications are discussed. 20 conventional porphyrins species and 9 doubly Nconfused porphyrins species were investigated. The first series contains variable number (1 to 4) of cationic groups, [Ru(bipy)2CI]+ or CH3+ (figure 1), bound to the meta or para-pyridil N-atoms of meso-phenylpyridylporphyrins. On the other hand, the protonated, neutral and deprotonated doubly N-confused porphyrins possess two rotated adjacent pyrrol rings, such that they have two coordinating camon atoms. Consequently, transition metal ions in unusually high oxidation states such as Ag(lII) and Cu(lII) can be stabilized by this structure, while the outer pyrrol N-atoms are susceptible to protonation and deprotonation reactions, allowing the modulation of their electronic properties simply by controlling the pH of the solution. In general, the protonation perturbed more significantly the photochemical properties than the deprotonation. The neutral species exhibit intense absorption bands in the phototherapeutical range (600 to 750 nm), associated with a high singlet oxygen sensitization quantum yield (ΦΔ> 0,90 for the Ag(lII) complex). Furthermore, a photodecomposition process due to the reaction with 1O2 was also identified. Both ΦΔ and photodecomposition are influenced by the metal ion coordinated to the doubly N-confused porphyrin ring. The coordination of Ag(lIl) and Cu(lII) increased ΦΔ, probably due to the enhancement of intersystem crossing quantum yield associated with the heavy atom effects. However, AgHN2CP is much more stable than CuHN2CP or the free-base, but the reasons are not clear and should be further investigated. The above results clearly evidence the superior properties of the Ag(lIl) complex as photosensitizer for PDT applications. The 20 cationic pyridylporphyrin derivatives are much soluble in water and experiments directed to biological applications could be carried out. Accordingly, in addition to the quantum yield for singlet oxygen generation(1O2), the effect of the stereochemistry and number and position of the electrically charged substituents on the binding constants and photooxidative damage on erythrocytes, lipossomes, mitochondria and HeLa cells were evaluated. The ΦΔ values were constant in the case of the N-3-methylpyridinium derivatives but inversely proportional to the number of positive charges for the N-4-methylpyridinium derivatives. This was assigned to an increase of aggregation of the sensitizers as the number of meso-phenyl rings and the lipophylicity increase. The partition coefficients in n-octanol/water (logPOA) corroborate that assertion showing a linear correlation with increasing of the number of phenyl groups. The binding efficiency towards the mitochondrial, lipossomal and cellular membrane and the photo-induced lipidic peroxidation processes were directly proportional to the logPOA, except for the ruthenated porphyrins. This last behavior may be associated with the dissociation reactions of the rutheniumpyridylporphyrin bond in the physiologic solution. Accordingly, those experiments were carried out only with the methylpyridynium derivatives. For the first time, we showed inequivocally that the interaction of the methyllated porphyrins with mitochondria are significantly influenced by the membrane potential. In fact, when the mitochondria was energized a 15% increase was observed in the binding constants of 3P2cMe in comparison with teh results with decoupled mitochondria. Also, the amount of bond porphyrin sensitizer decreased as the number of methylpyridynium groups was increased, following the same tendency as above. The behavior of the cis (3P2cMe) and trans (3P2tMe) isomers didn\'t follow the general tendency for the other derivatives in a series, such that the binding constants of the cis isomers were always about twice higher than for the trans, which were much higher than predicted by the general behavior. This means that they can associate more strongly and penetrate deeper in the membrane than the more charged porphyrin derivatives. In particular, the cis species is amphiphilic, i.e. possess an adequate structure for that interaction. The results presented in this thesis showed conclusively that the two series of meso-phenylpyridylporphyrins are adequate for the investigation of the effect of the stereochemistry on the bonding ability and photodynamic properties of those photosensitizers. This is particularly true due to the possibility of modulating the ratio between hydrophobicitylhydrophylicity and the stereochemistry without influencing significantly the quantum yield for 1O2 generation. The meta- series showed an advantage over the conventionally used para- series of methylpyridynium porphyrins because it is more soluble and shows lesser tendency to aggregate. In condusion, the amphiphilic 3P2cMe is the species with the highest potentiallity as por sensitizer because of its high binding constants, low tendency to associate and high ΦΔ.

A estomatite protética (EP), também designada de candidíase atrófica crônica, é a infecção fúngica bucal mais comum em indivíduos portadores de prótese total. Possui etiologia multifatorial, no entanto a presença de Candida spp. no biofilme da prótese é tida como o fator mais importante para o estabelecimento da EP. Este trabalho teve como objetivo avaliar o tratamento da EP por meio do uso da terapia fotodinâmica antimicrobiana (PDT), mediada pelo azul de metileno. Foram realizados estudos pré-clínicos e clínicos. Protótipos simuladores de prótese total foram confeccionados com polímero de metilmetacrilato, para servir de base para o crescimento do biofilme das seguintes espécies do gênero Candida: C. albicans, C. glabrata, C. dubliniensis, C. krusei, C. tropicalis, C. parapsilosis e C. guilliermondii. Como fotossensibilizador foi utilizada a solução de azul de metileno em uma concentração de 450μg/mL. Os protótipos com os biofilmes foram irradiados com um laser de comprimento de onda de 660 nm, potência de 100 mW, por um tempo de 80 segundos. Para o estudo clínico, os indivíduos foram divididos em dois grupos. O primeiro grupo recebeu tratamento convencional, à base do antifúngico Miconazol. O segundo grupo recebeu como tratamento a PDT. Os resultados pré-clínicos mostraram que todas as espécies do gênero Candida foram susceptíveis à PDT, ocorrendo uma redução de colônias que variou de 2,48 a 3,93 log10. Os resultados clínicos foram avaliados tanto quanto à redução de colônias de Candida spp. na mucosa e na prótese, como quanto à melhora do aspecto clínico da mucosa afetada. Tanto a terapia convencional quanto a PDT foram eficientes em tratar a EP. Não houve diferença estatística significante entre os tratamentos instituídos para nenhum dos fatores avaliados. Assim, concluiu-se que a PDT é efetiva no tratamento da estomatite protética. / Denture stomatitis (DS), also called chronic atrophic candidiasis, is the most common oral fungal infection in denture wearers. It has a multifactorial etiology, but the presence of Candida spp. biofilm on the denture is considered the most important factor for the establishment of the DS. This study aimed to evaluate the treatment of DS through the use of photodynamic antimicrobial therapy (PAT), mediated by methylene blue. For this purpose, preclinical studies and clinical trials were performed. Simulators prototypes dentures were made of methyl methacrylate polymer to serve as a basis for biofilm growth of the following species of Candida: C. albicans, C. glabrata, C. dubliniensis, C. krusei, C. tropicalis, C. parapsilosis and C. guilliermondii. Methylene blue solution at a concentration of 450μg/mL was used as a photosensitizer. The prototypes and biofilms were irradiated with a laser of wavelength of 660 nm, potency of 100 mW, for 80 seconds. For the clinical study, subjects were divided into two groups. The first group received conventional treatment based on the use of antifungal Miconazole. The second group received the treatment by PAT. The preclinical results showed that all species of the genus Candida were susceptible to PAT, with a reduction in colonies that ranged from 2.48 to 3.93 log10. Clinical outcomes were evaluated for the reduction of colonies of Candida spp. located in the mucosa and in the prosthesis and relative to the improvement of the clinical aspect of the affected mucosa. Both the conventional therapy and PAT were effective in treating DS. There was no significant statistical difference between PAT and conventional treatment for any of the factors evaluated. Thus, it was concluded that PAT is effective in the treatment of denture stomatitis.

A terapia foto-dinâmica consiste na irradiação luminosa de um determinado tecido ou microorganismo previamente exposto à ação de um corante foto-sensibilizador. Ela é eficazmente utilizada em neoplasias e em processos infecciosos. No entanto, poucos estudos avaliam o efeito desta terapia em reparação tecidual. Estes trabalhos mostram resultados que variam entre satisfatórios e não-satisfatórios. Além disso, os estudos que envolvem a terapia com laser em baixa intensidade e a terapia foto-dinâmica em reparação tecidual preocupam-se, na maioria das vezes, com a organização e quantificação dos componentes da matriz extra-celular. Estudar o epitélio, em contrapartida, por meio das proteínas expressas pelos queratinócitos é igualmente importante, sabendo-se que a reparação da ferida depende também da organização e proliferação das células epiteliais. Este trabalho avaliou a reparação tecidual de excisões realizadas em dorso de ratos submetidas à irradiação com laser em baixa intensidade ou terapia foto-dinâmica mediada pelo corante azul de metileno. Para tal, realizou-se a análise morfológica e histomorfológica das feridas em determinados tempos experimentais, além da análise imunoistoquímica das citoqueratinas 10 e 14 e p63. Os resultados mostraram que a reparação tecidual foi favorecida com a irradiação laser em baixa intensidade, o que foi confirmado através das análises morfológica e histo-morfológica que mostraram fechamento prévio da ferida para este grupo experimental. Além disso, a expressão de citoqueratina 10 na língua epitelial formada nas feridas pertencentes ao grupo Laser precedeu a expressão da mesma nos outros grupos, o que indicou uma maturação acelerada do epitélio para este grupo. O grupo da terapia foto-dinâmica não apresentou aceleração da reparação tecidual bem como não a prejudicou. Isto sugere que a reparação tecidual frente à irradiação laser é diferente daquela encontrada com a terapia foto-dinâmica. Além disso, não houve atraso da reparação tecidual com a terapia foto-dinâmica, sugerindo que esta terapia foi segura e que devem ser consideradas suas vantagens em situações de infecção. / The photodynamic therapy involves delivering visible light of the appropriate wavelength into a tissue or microorganism previously exposed to a photo-sensitive dye. Its use is widely spread between neoplastic and infeccious diseases. Nevertheless, its effects upon wound healing has not yet been completely verified and the few studies concerning this subject present whether good or bad results. In addition, studies that involve low intensity laser therapy or photodynamic therapy on wound healing concern mostly on the organization and quantification of the extracellular matrix components. Studying the epithelium, on the other hand, by the keratinocyte expressed proteins is equally important, once the wound healing depends also of the organization and proliferation of the epithelial cells. This study evaluated the wound healing of excisions performed on the back of rats submitted to low intensity laser therapy or photodynamic therapy mediated by methylene blue dye. Morphological and histo-morphological analysis of the wounds in pre-determined periods were performed, as well as immunohistochemistry of citokeratins 10 and 14 and p63. The results showed that the wound healing was enhanced by the low intensity laser therapy, which was confirmed by the morphological and histomorphological analysis. The wound closure was previously seen for the laser group. The citokeratin 10 expression on the epithelial tongue of the wounds that belong to the laser group preceded the expression in the other groups, which indicated an accelerated maturation of this epithelium. The photodynamic therapy group did not present accelerated wound healing but did not present any delay as well. This suggests that the wound healing found for the laser group differs from that found for the photodynamic therapy group. Moreover, the lack of delay presented by the photodynamic therapy suggests a safe therapy with advantages regarding disinfection that should be considered in specific situations.

O trabalho apresentado foi realizado em duas etapas independentes e baseou-se no estudo de diferentes sistemas nanométricos para viabilizar a aplicação da ftalocianina de cloro alumínio (ClAlPc) na terapia fotodinâmica (TFD) para o tratamento do câncer de pele do tipo melanoma. O fármaco fotossensibilizante (FS) utilizado apresenta propriedades físico-químicas que lhe permitem exercer sua atividade fotodinâmica com excelência, sem a interferência do cromóforo endógeno melanina existente nas células melanocíticas. Para driblar sua elevada hidrofobicidade, ClAlPc foi encapsulada em sistemas nanométricos para administração em meio fisiológico. Inicialmente nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) foram desenvolvidas por emulsificação direta, após um estudo de elaboração do diagrama de fases. O compritol foi o lipídio sólido escolhido para compor as NLS, com diferentes concentrações de ClAlPc. Todas as formulações desenvolvidas foram devidamente caracterizadas, com tamanho médio entre 100 e 200 nm, baixa polidispersão, potencial zeta adequadamente negativo (~|30| mV), drug loading de ClAlPc entre 76-94% (com pequena redução após 24 meses) e alta eficiência de encapsulação (E.E.). A morfologia arredondada das nanopartículas foi confirmada por microscopia eletrônica de transmissão e de força atômica. A estabilidade das NLS foi de 24 meses. A avaliação da cristalinidade do lipídio revelou a integração da ClAlPc à matriz lipídica da NLS, presença de estruturas polimórficas e grau de cristalinidade adequado, sem alterações após 24 meses. Nos estudos de difusão in vitro, observou-se que ftalocianina encapsulada nas NLS acumulam-se preferencialmente na epiderme e derme do que no estrato córneo, sem traços de permeação do ativo. Foi confirmado o caráter biocompatível das NLS sobre fibroblastos NIH-3T3. A ftalocianina encapsulada nas NLS não foi tóxica na linhagem de melanoma B16-F10 na ausência de luz, porém, apresentou excelente efeito fototóxico (0,75 ?g mL-1 de ClAlPc nanoencapsulada e irradiação entre 0,5 e 2,0 J cm-2), com redução da viabilidade celular de 87%. O segundo sistema de veiculação estudado foram as vesículas cataniônicas (VesCat), que se formam espontaneamente em água com o tensoativo TriCat 12. A obtenção das vesículas contendo ClAlPc envolve uma etapa adicional, para remoção de solvente orgânico, que foi aprimorada, reduzindo o tempo de produção em 55%. As VesCat/ClAlPc obtidas mantiveram suas propriedades físico-químicas e morfologia arredondada (confirmada por microscopia eletrônica de varredura), drug loading de 47% e alta E.E. Os resultados comprovaram que a aplicação desses dois sistemas nanométricos é altamente eficiente para aplicação da TFD no tratamento do câncer de pele do tipo melanoma ou outras doenças cutâneas, apresentando características favoráveis para avanços nos estudos de fase clínica e pré-clínica. / The present work was conducted in two independent steps, which were based on the study of different nanometric systems that make feasible the application of aluminum phthalocyanine chloride (ClAlPc) in the photodynamic therapy (PDT) to the melanoma skin cancer treatment. The photosensitizer (PS) used has physical-chemical properties that allow it to perform its photodynamic activity with excellence, without the interference of the melanin, an endogenous chromophore found in melanotic cells. In order to circumvent the high PS hydrophobicity, ClAlPc was encapsulated into nanosystems to administration in physiological environment. At first, solid lipid nanoparticles (SLN) were developed by direct emulsification process after drawing up phase diagram study. The solid lipid compritol was chosen to make the SLN, produced with different ClAlPc concentrations. The developed samples were properly characterized with mean size between 100-200 nm, low polydispersity, negative zeta potential (~|30| mV), ClAlPc drug loading around 76-94% (with slight decrease after 24 months) and high encapsulation efficiency (EE). The round shape of SLN was confirmed by transmission electron microscopy and atomic force microscopy. The nanoparticles were stable for at least 24 months. The evaluation of lipid crystallinity has proved the ClAlPc integration to SLN lipid matrix, the presence of polymorphic structures and a suitable crystalline degree, without large variations after 24 months. In the in vitro diffusion studies were observed that phthalocyanine conveyed in the nanoparticles accumulates preferably in the epidermis and dermis than in the stratum corneum, without any drug permeation traits. The NLS biocompatibility was confirmed on NIH-3T3 fibroblasts. ClAlPc-loaded NLS did not exhibit toxicity on B16-F10 melanoma cell line in the dark, but it was shown their outstanding phototoxicity effect (0.75 ?g mL-1 of encapsulated ClAlPc and irradiation between 0.5 and 2.0 J cm-2) with cell viability reduction of 87%. The second drug delivery system studied were the catanionic vesicles (VesCat) that are spontaneously obtained by mixing the self-assembly surfactant TriCat 12 in water. The production of ClAlPc-loaded vesicles comprises an additional step (to remove the organic solvent) that was optimized, saving 55% of the production time. The final VesCat/ClAlPc kept their physical-chemical properties and round shape (confirmed by scanning electron microscopy), drug loading of 47% and high EE. Hence, the results have proved the great efficiency of these two nanometric systems applied in the PDT to the treatment of melanoma skin cancer and other cutaneous disease, useful features for further progress towards preclinical and clinical trials.

A leishmaniose é uma doença tropical negligenciada causada pelo protozoário Leishmania, que afeta 98 países. Aproximadamente 1,2 milhões de casos de leishmaniose cutânea acontecem todo ano. Os fármacos convencionais utilizados para seu tratamento são tóxicos, caros e requerem longos períodos de terapia, por isso neste trabalho propôs-se o uso da terapia fotodinâmica (TFD) com ftalocianina de cloro alumínio (AlClPc) associada a fármacos leishmanicidas (resveratrol, anfotericina B e chalcona CH8) encapsulados em nanocápsulas poliméricas. A TFD vem sendo apresentada como uma alternativa promissora para o tratamento da leishmaniose cutânea e outras doenças de pele. Sendo assim, avaliou-se sua ação fototóxica em linhagem celular de macrófago RAW 264.7. As nanocápsulas carregadas foram preparadas pelo método de nanoprecipitação e caracterizadas pelo tamanho de partícula, índice de polidispersão, potencial zeta, eficiência de encapsulação, estudos espectroscópicos e estabilidade física. As nanocápsulas apresentaram um diâmetro médio de 230 nm, baixa polidispersividade (0,3 de índice de polidispersão) e potencial zeta negativo (cerca de -30 mV). A análise morfológica foi realizada através de microscopia de força atômica, pela qual se comprovou o formato esférico das nanopartículas. A formulação apresentou uma boa eficiência de encapsulação, da ordem de 75%, como esperado para fármacos hidrofóbicos. As nanocápsulas exibiram boa estabilidade física ao longo de um período de 3 meses o que foi comprovado pelos estudos de estabilidade acelerada com um tempo de vida de prateleira de 3-6 meses. O comportamento reológico das formulações foi determinado a partir de medidas de variação de velocidade de rotação. Os estudos de toxicidade na ausência de luz demonstraram o caráter biocompatível das nanocápsulas desenvolvidas. Sob irradiação de luz visível em uma dose máxima de 1,0 J.cm-2, o efeito fototóxico provocado pelas nanocápsulas contendo AlClPc (5 ?M) e AlClPc (5 ?M) associada ao Resveratrol (50 ?M), reduziu a viabilidade celular a 30%, já as nanocápsulas contendo AlClPc (5 ?M) associada a AmB (4 ?M) e AlClPc (5 ?M) associada a chalcona (10 ?M) reduziram a ii sobrevivência celular a uma taxa de 50 % e 10%, respectivamente. AlClPc permaneceu na região citoplasmática das células 24 h após a administração comprovada através de estudos de microscopia de fluorescência. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que as nanocápsulas poliméricas se apresentam com potenciais sistemas de administração deste fármaco fotossensibilizador hidrofóbico (AlClPc) associado aos demais fármacos leishmanicidas para tratamento de leishmaniose caracterizado uso de baixas concentrações dos ativos e de baixa dose de luz visível, que levam a respostas biológicas muito boas, incentivando-se assim estudos in vivo posteriores. / Leishmaniasis is a neglected tropical disease caused by the protozoan Leishmania, which affects 98 countries. Approximately 1.2 million cases of cutaneous leishmaniasis occur every year. Conventional drugs used for its treatment are toxic, expensive, and require long periods of therapy, so this work suggested the use of photodynamic therapy (PDT) with aluminum phthalocyanine chloride (AlClPc) associated with leishmanicidal drugs (resveratrol, amphotericin B and chalcone CH8) encapsulated in polymeric nanocapsules. PDT has been shown as a promising alternative for the treatment of cutaneous leishmaniasis and other skin diseases. Therefore, it evaluated its phototoxic effects in cell line RAW 264.7 macrophages. The loaded nanocapsules were prepared by nanoprecipitation method and characterized by particle size, polydispersity index, zeta potential, encapsulation efficiency, spectroscopic data and physical stability. The nanocapsules had an average diameter of 230 nm, low polydispersity (0,3 polydispersity index) and a negative zeta potential (approximately -30 mV). Morphological analysis was performed using atomic force microscopy, in which proved the spherical shape of the nanoparticles. The formulation exhibited good encapsulation efficiency of approximately 75%, as expected for hydrophobic drugs. Nanocapsules exhibited good physical stability over a 3 month period which was confirmed by the accelerated stability studies with a shelf life of 3-6 months. The rheological behavior of the formulations was determined by rotational speed variation.Toxicity studies in the absence of light showed the biocompatible character of the developed nanocapsules. Under visible light irradiation at a maximum dose of 1.0 J.cm-2, the phototoxic effect caused by nanocapsules containing AlClPc (5 ?M) and AlClPc (5 ?M) associated with resveratrol (50 ?M), reduced cell viability to 30%, as nanocapsules containing AlClPc (5 ?M) associated AmB (4 ?M) and AlClPc (5 ?M) associated with chalcone (10 ?M) reduced a cell survival rate of 50% and 10%, respectively. AlClPc remained in the cytoplasmic region of cells 24 h after administration observed by fluorescence iv microscopy studies. The results of this study indicate that polymeric nanocapsules are potential delivery systems of this hydrophobic photosensitizer (AlClPc) drug associated with other leishmanicidal drugs for leishmaniasis treatment with the use of low concentration of assets and low-dose of visible light, encouraging further studies in vivo.

The broad absorption spectrum of Protoporphyrin IX (PpIX) allows being activated by a source with an emission spectrum in the visible region. Also, PpIX can be activated simultaneously by two or more sources whose emission spectrum overlaps with its absorption spectrum. Sources with a wide spectrum of illumination, such as lamps and Sun, have a different light-tissue interaction, and the constant monitoring of the dose of light and the total damage caused by photodynamic therapy (PDT) becomes difficult. The main objectives of this study were to simulate the distribution of light in the tissue for a multi-wavelength source and determine the total theoretical photodynamic dose. This study is composed of three parts. First, photobleaching experiments of PpIX using different light sources and the development of a mathematical model was used to explain the change in PpIX concentration. Second, Monte Carlo simulation using MCX (Monte Carlo eXtreme) was performed to know the light distribution through in a human skin model. Finally, the theoretical photodynamic dose was determined using the two steps mentioned previously. The experimental results show that the decrease in the concentration of PpIX is mainly dependent on the dose of photons absorbed. Therefore, for a multi-wavelength source, the total damage is calculated by partial damages caused by each wavelength that active the PpIX. The simulation of the light distribution in the human skin phantom demonstrated that the energy fluence rate decrease as a function of the depth. The mathematical model estimates that the efficacy of PDT, where it is guaranteed there is necrosis, has a diameter and depth of about 0.3 and 0.2 mm respectively. This model can be expanded to other biological media, other photosensitizers and even to any source of illumination. / O amplo espectro de absorção da Protoporfirina IX (PpIX) permite sua ativação por uma fonte com um espectro de emissão amplo na região visível. Além disso, a PpIX pode ser ativada simultaneamente por duas ou mais fontes de luz, cujo espectro de emissão se sobrepõe ao seu espectro de absorção. Fontes com um amplo espectro de emissão, como lâmpadas e Sol, têm uma interação luz-tecido biológico diferente, e o monitoramento constante da dose de luz e o dano total causado pela Terapia Fotodinâmica (TFD) se tornam difíceis. Os principais objetivos deste trabalho foram simular a distribuição de luz no tecido para uma fonte de múltiplos comprimentos de onda e determinar a dose fotodinâmica teórica total. Este trabalho é composto de três partes. Primeiro, experimentos de fotodegradação da PpIX usando diferentes fontes de luz e o desenvolvimento de um modelo matemático foram usados para explicar a mudança na concentração de PpIX. Em segundo lugar, uma simulação de Monte Carlo usando MCX (Monte Carlo eXtreme) foi realizada para obter a distribuição de luz, de múltiplos comprimetos de onda, em um modelo de pele humana. Finalmente, a dose fotodinâmica teórica foi determinada usando as duas etapas mencionadas anteriormente. Os resultados experimentais mostram que a diminuição na concentração de PpIX é principalmente dependente da dose de fótons absorvidos. Portanto, para uma fonte de multi-comprimentos de onda, o dano total é calculado por danos parciais causados por cada comprimento de onda que ativa a PpIX. A simulação da distribuição de luz na pele humana demonstrou que a taxa de fluência de energia diminui em função da profundidade. O modelo matemático estima que a eficácia da TFD, onde é garantida a existência de necrose, tenha diâmetro e profundidade de aproximadamente 0.3 e 0.2 mm respectivamente. Este modelo pode ser expandido para outros meios biológicos, outros fotossensibilizadores e até mesmo para qualquer fonte de iluminação.

L'étude de l'influence des pharmacocinétiques de la mTHPC dans la tumeur, le plasma et les leucocytes sur la réponse à la PDT a montré que l'accumulation du photosensibilisant dans les leucocytes exhibaient une bonne corrélation avec l'efficacité de la PDT. Ces résultats suggèrent que les leucocytes pourraient jouer un rôle important dans le mécanisme de la PDT induisant des dommages vasculaires. L'étude de la monomérisation de la mTHPC au cours des interactions avec des protéines plasmatiques démontrent un taux lent de cinétique de désagrégation. La fraction de mTHPC agrégée à l'équilibre et le taux de désagrégation du photosensibilisant dépendent fortement de la teneur en protéines et de la température d'incubation. Les résultats ont démontré la formation d'agrégats libres à grande échelle avec une interaction forte entre les molécules du photosensibilisant. L'analyse cinétique démontre que la mTHPC est caractérisée par des taux très lents de redistribution depuis les complexes avec les protéines plasmatiques. Les faibles taux de redistribution de la mTHPC comparés aux autres photosensibilisants correspondent aux propriétés de liaisons uniques de la mTHPC. L'existence à la fois du transfert de la mTHPC par collision et par milieu aqueux a été supposée. L'étude en microscopie confocale indique des modèles de localisation diffus de la mTHPC à 3h et la formation de taches fortement fluorescentes du photosensibilisant à 24h d'incubation dans des cellules MCF. Les paramètres d'absorption, de temps de durée de vie de fluorescence et de photoblanchiment ont montré qu'à 24h d'incubation la mTHPC est beaucoup plus agrégée qu'à 3h. Le rendement de photoinactivation des cellules est environ 2 fois plus important pour le point à 3h. Une telle différence est attribuée à l'effet des différents états d'agrégation du photosensibilisant et aux interactions avec les composants cellulaires. L'étude théorique et spectroscopique de la mTHPC, la mTHPP et la mTHPBC nous a permis de définir leur structure agrégée dans des milieux aqueux À cette fin, nous avons développé une méthode semi-empirique de mécanique quantique basée sur le calcul des variations spectrales dans différents solvants. La mTHPC et la mTHPP forment des dimères linaires dans les millieux aqueux, tandis que la mTHPBC forme des dimères zigzag.

Photodynamic therapy (PDT) is an alternative treatment of cancer requiring the use of chromophore molecules (photosensitizers), which can induce cell death after light excitation. Gold nanoparticles (AuNP), exhibiting localized Surface Plasmon Resonance, can enhance the photophysical response of chromophores located in their vicinity, and thus improve their therapeutic action. Moreover, the use of highly localized two-photon chromophores (photosensitizers and fluorophores), capable to undergo a localized excitation by light in the Near InfraRed region, should increase the penetration depth into tissues, thus improve the treatment efficiency (by PDT) and the imaging (by fluorescence microscopy) of cancer tissues.In this work, we describe the elaboration of water-soluble hybrid nano-objects for PDT and fluorescence bioimaging applications, composed of two-photon chromophore-polymer conjugates grafted onto gold nanoparticles. In order to obtain these nano-objects we follow a multistep strategy: i) the synthesis of a well-defined water-soluble chromophore-polymer conjugates; ii) the end-group oriented grafting of chromophore-polymer conjugates onto 20 nm AuNP. The coupling of hydrophobic two-photon chromophores on linear water-soluble copolymer chains (poly(N-acryloylmorpholine-co-N-acryloxysuccinimide)), obtained by controlled/living RAFT polymerization, resulted in well-defined water-soluble chromophore-polymer conjugates, with different polymer lengths (2 000 g.mol-1 < Mn < 37 000 g.mol-1) and architectures (random or block), and a controlled number of chromophores per chain (varying between 1 and 21). Their grafting onto 20 nm AuNP gave water-soluble hybrid nano-objects with high grafting densities (~0.5 chains/nm²). The role of the polymer chain being to tune the distance between chromophores and AuNP surface, we have evidenced the increase in the polymer corona thickness of grafted AuNP (estimated by TEM) with the increasing polymer Mn, corroborating with the corresponding distance-dependent fluorescence properties of those. Finally, the in cellulo biological properties of two-photon chromophore-polymer conjugates, before and after grafting onto AuNP, have been investigated, highlighting their potential for two-photon bioimaging and PDT applications.

Monte Carlo (MC) simulations are widely used in the field of medical biophysics, particularly for modelling light propagation in biological tissue. The iterative nature of MC simulations and their high computation time currently limit their use to solving the forward solution for a given set of source characteristics and tissue optical properties. However, applications such as photodynamic therapy treatment planning or image reconstruction in diffuse optical tomography require solving the inverse problem given a desired light dose distribution or absorber distribution, respectively. A faster means for performing MC simulations would enable the use of MC-based models for such tasks. In this thesis, a gold standard MC code called MCML was accelerated using two distinct hardware-based approaches, namely designing custom hardware on field-programmable gate arrays (FPGAs) and programming commodity graphics processing units (GPUs). Currently, the GPU-based approach is promising, offering approximately 1000-fold speedup with 4 GPUs compared to an Intel Xeon CPU.