Terpenoids as effective compounds for overcoming multidrug resistance in cancer cells

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2015Circumventing multidrug resistance (MDR) in cancer is a cornerstone to chemotherapy success. Modulation of P-glycoprotein (P-gp) and evaluation of the collateral sensitivity effect are among the most promising approaches to overcome MDR. The main goal of this work was to explore these two approaches in order to find and optimize new MDR reversers derived from Euphorbia species. The phytochemical study of E. piscatoria yielded four new diterpenes, two with the ent-abietane skeleton (1-2) and two macrocyclic lathyranes (3-4). From E. welwitschii four new jatrophanes (19-22) were obtained. Welwitschines A (19) and B (20) present a unique combination of structural features: a 5/8/8 fused-ring system and an 12,15-ether bridge. Several known terpenoids (5-10 and 23) and flavonoids (11-14, 24 and 25) were also isolated from these plants. Moreover, a small library of 27 macrocyclic lathyrane diterpenes (6.1-6.27), targeted for P-gp efflux modulation, was achieved by molecular derivatization of jolkinol D (6), isolated from E. piscatoria. This process was accomplished mainly by using several alkanoyl and aroyl anhydrides/chlorides as acylating agents. The chemical structures of the compounds were deduced from their physical and spectroscopic data (IR, MS, 1D and 2D NMR experiments). Additionally, the stereochemistry of compounds 19 and 20 was confirmed through X-ray crystallography. Piscatoric acid (2) was a key compound to give insights into the biogenetic pathway of ent-abietane lactones. In the same way, the isolation of compounds 19-22 allowed to propose the 12,17-cyclojatrophanes biogenesis. The MDR reversal activity of compounds 6, 6.1-6.27 and 19-23 was evaluated through combination of transport and chemosensitivity assays, using the mouse lymphoma MDR1-transfected cell model. The most relevant structure-activity relationships for derivatives 6.1-6.27 highlighted the importance of the aroyl moiety and its pattern of substitution for P-gp efflux modulation. Most of the derivatives revealed to interact synergistically with doxorubicin, by increasing its cytotoxic activity. The effects on P-gp ATPase were evaluated for the most potent derivative, jolkinoate P (6.15). This compound showed to interact with P-gp, exhibiting a profile related to compounds that inhibit its ATPase activity. In regard to the jatrophanes 19-23, the results indicated that high conformational flexibility of the twelve-membered ring of compounds 21-23 favored P-gp modulation, in contrast to the tetracyclic scaffold of compounds 19 and 20. Epoxiwelwitschene (22) displayed the highest modulatory effect and may act as a competitive modulator, as indicated by the ATPase activity assay. Drug combination experiments also corroborated the anti-MDR potential of these diterpenes due to their synergistic interaction with doxorubicin. The potential collateral sensitivity effect of compounds 1-6, 8, 19-24 and 6.1-6.27 was evaluated against gastric (EPG85-257), pancreatic (EPP85-181) and colon (HT-29) human cancer cells and their drug-selected counterparts, resistant to novantrone (RN) and to daunorubicin (RDB), using a proliferation assay. Compounds 6.11, 6.22, 22 and 23 were able to decrease aproximately 85% of the level of resistance of EPG85-257RDB cells, in comparison to parental cells. Compounds 6.11, 6.20, 22 and 23 also showed promising results in pancreatic cells, being able to reduce the levels of resistance in about 32 - 65%. The mechanisms of cell death were analyzed, using the annexin V/PI and active caspase-3 assays. It was verified that cell death occurred through caspase-dependent apoptosis. The structural optimization of the compounds with the lathyrane scaffold and isolation of the jatrophanes from E. welwitschii, provided the identification of some important structural requirements, leading to a more effective reversion of MDR. Thus, compounds 6.11, 6.15, 6.20, 6.22, 22 and 23 can be proposed as new lead candidates for the development of MDR reversal agents.A reversão da resistência a múltiplos fármacos (MDR) é um ponto fulcral para o sucesso do tratamento do cancro. Os mecanismos celulares associados à MDR incluem: evasão da apoptose, alterações nos alvos farmacológicos, inativação dos fármacos e aumento do efluxo de citotóxicos, entre outros. Destes, o mecanismo com maior importância na MDR envolve a sobre-expressão de transportadores da família ABC, nos quais se inclui a glicoproteína-P (P-gp). Esta proteína está envolvida no transporte de fármacos anticancerígenos para o espaço extracelular, conduzindo à ineficácia do tratamento. O desenvolvimento de moduladores da P-gp, capazes de impedir o efluxo de fármacos, aumentando por conseguinte a sua concentração nas células, representa uma abordagem promissora para a reversão da MDR. No entanto, apesar de terem sido desenvolvidas várias gerações de moduladores, não existe atualmente nenhum, que esteja em uso na prática clínica. Os conhecimentos sobre as interações modulador-transportador têm sido limitados, em parte, devido à ausência de informações estruturais sobre a P-gp humana. Em 2009, surgiu a primeira estrutura cristalográfica da P-gp de murino (87% de identidade com a P-gp humana), mostrando pela primeira vez esta proteína complexada com um ligando. Este avanço representa um novo impulso para o desenvolvimento de moduladores baseados na estrutura deste transportador. As células cancerígenas MDR são frequentemente resistentes a diferentes classes de agentes antitumorais, mas, ao mesmo tempo, podem também ser hipersensíveis a outros compostos. Este fenómeno é denominado por efeito de sensibilidade colateral, permanecendo ainda desconhecido o mecanismo, pelo qual, este acontece. Explorar o efeito de sensibilidade colateral está entre as abordagens mais promissoras para reverter a MDR, a par do desenvolvimento de moduladores da P-gp. Deste modo, o objetivo principal deste trabalho foi explorar as duas abordagens, para encontrar e otimizar novos moduladores da MDR, obtidos a partir de plantas do género Euphorbia. Através do estudo fitoquímico de E. piscatoria foi possível isolar quatro novos diterpenos, dois com o esqueleto do ent-abietano (1-2) e dois com o esqueleto do latirano (3-4). Da planta E. welwitschii foram obtidos quatro novos jatrofanos (19-22). Os compostos designados por welwitschines A (19) e B (20) apresentam a conjugação única das seguintes características estruturais: um sistema 5/8/8 de anéis fundidos e uma função éter, entre os carbonos 12 e 15. Para além destes compostos foram também isolados destas plantas outros já conhecidos, nomeadamente latiranos (5 e 6), um jatrofano (23) e diterpenos policíclicos (7-9). Também foram isolados, um triterpeno com o esqueleto do cicloartano (10), seis flavonoides (11-14, 24 e 25) e, ainda, quatro outros fenóis simples (15-18). As estruturas químicas dos compostos foram deduzidas a partir dos seus dados físicos e espetroscópicos (IV, MS, RMN 1D e 2D). A estereoquímica dos compostos welwitschines A (19) e B (20) foi confirmada por cristalografia de raios-X. O isolamento do composto designado por ácido piscatorico (2) foi crucial para o desenvolvimento de uma nova proposta de via biogenética para as lactonas do tipo ent-abietano, moléculas geralmente presentes em plantas do género Euphorbia. Do mesmo modo, o isolamento dos compostos 19-22 permitiu sugerir a biogénese de diterpenos com o esqueleto do tipo 12,17-ciclojatrofano. Esta classe de compostos é considerada rara, só se conhecendo, até à data, uma molécula com este tipo de estrutura. A partir de E. piscatoria foi isolado, em grande quantidade, um diterpeno macrocíclico com o esqueleto do latirano, denominado jolkinol D (6). Tirando partido das funções químicas deste composto, foi possível desenvolver uma pequena biblioteca de 27 compostos (6.1-6.27), que permitiu estabelecer estudos de relação estrutura-atividade. Para a preparação destes derivados usaram-se principalmente reações de acilação, com vários anidridos/cloretos de ácido aromáticos e alifáticos. A atividade anti-MDR, para os compostos 6, 6.1-6.27 e 19-23, foi avaliada através da combinação de ensaios funcionais com ensaios de químiossensibilidade, usando como modelo, uma linha celular de linfoma de rato transfetada com o gene MDR1. Os dados obtidos pela relação estrutura atividade apontam para a importância do anel benzénico e do seu padrão de substituição, na modulação da P-gp. A maioria dos derivados revelou uma interação sinérgica com a doxorrubicina, aumentando o seu efeito citotóxico. A natureza das interações com a atividade ATPásica da P-gp foi estudada usando o modulador mais potente deste grupo de derivados, o jolkinoato P (6.15). Este composto demonstrou inibir a hidrólise de ATP mediada pela P-gp. O perfil obtido aproxima-se ao perfil de compostos classificados como inibidores deste transportador membranar. Em relação aos jatrofanos 19-23, a comparação dos seus efeitos modulatórios, indicou que a flexibilidade conformacional, conferida pelo anel de doze membros presente nos compostos 21-23, favoreceu a modulação da P-gp. A estrutura tetracíclica dos compostos 19 e 20 confere-lhes uma natureza mais rígida, que parece não favorecer a sua atividade. Deste conjunto de compostos, o epoxiwelwitscheno (22) foi aquele que apresentou a maior atividade como modulador a 2 μM e, por esse motivo, foi selecionado para investigar o seu efeito na atividade ATPásica da P-gp. Os resultados obtidos sugeriram que poderá tratar-se de um modulador competitivo. Por outro lado, os ensaios de combinação com a doxorrubicina mostraram uma interação de natureza sinérgica, entre estes jatrofanos e o agente citotóxico, reforçando o seu potencial anti-MDR. O efeito de sensibilidade colateral foi avaliado para os compostos 1-6, 8, 19-24 e 6.1-6.27, usando as seguintes linhas celulares cancerígenas humanas: gástrica (EPG85-257), pancreática (EPP85-181) e do cólon (HT-29) e suas respetivas estirpes MDR, selecionadas com novantrona (RN) e daunorrubicina (RDB). Os compostos 6.11, 6.22, 22 e 23 reduziram aproximadamente 85% do nível de resistência das células EPG85-257RDB, em comparação com as células parentais. Os compostos 6.11, 6.20, 22 e 23 também apresentaram resultados promissores nas células pancreáticas, reduzindo os níveis de resistência em cerca de 32 - 65%. Os possíveis mecanismos de morte celular foram analisados, utilizando os ensaios de anexina V/iodeto de propídeo e caspase-3 ativa. Verificou-se que a morte celular ocorreu por apoptose, dependente de caspase. A otimização estrutural dos compostos com o esqueleto do latirano e o isolamento de jatrofanos, da planta E. welwitschii, proporcionou a identificação de alguns requisitos estruturais conducentes a uma modulação mais eficaz da P-gp. Por conseguinte, os compostos 6.11, 6.15, 6.20, 6.22, 22 e 23 podem ser propostos como novos candidatos a protótipos no desenvolvimento de agentes reversores da MDR. Os estudos fitoquímicos desenvolvidos neste trabalho contribuem ainda para o conhecimento da diversidade química existente nas espécies do género Euphorbia, tendo ainda dado azo à proposta de novas vias biogenéticas para alguns dos compostos isolados

Access to essential medicines in Timor-leste: availability, prices and affordability

O acesso a medicamentos essenciais a preços acessíveis de forma sustentável é um dos indicadores do cumprimento dos Objectivos de Desenvolvimento do Milénio e pode ser considerado como parte do direito universal à saúde. Tal como acontece com outros bens essenciais, o acesso aos medicamentos depende de múltiplos factores, como a sua disponibilidade, preços e capacidade de aquisição por parte da população. Na última década, foram efectuados mais de 50 estudos para avaliar esses factores, em países de baixos e médios rendimentos, utilizando uma metodologia desenvolvida pela Organização Mundial de Saúde e a organização Health Action International, numa tentativa de compreender as possíveis causas para o baixo acesso aos medicamentos. Os resultados destes estudos revelam uma baixa disponibilidade de medicamentos essenciais de um modo geral, sobretudo no sector público, e preços elevados, sobretudo no sector privado. O objectivo deste estudo foi descrever a disponibilidade, os preços e a capacidade de aquisição de medicamentos essenciais em Timor-Leste, com recurso à metodologia da OMS/HAI. Foram recolhidos dados sobre a disponibilidade e os preços de uma lista de medicamentos em hospitais, centros de saúde e farmácias comunitárias. Embora os resultados pareçam apontar para uma disponibilidade global razoável de medicamentos genéricos no sector público (59,2%), algumas substâncias activas e classes terapêuticas encontravam-se sistematicamente esgotadas em vários pontos do país. Nas unidades situadas em locais mais remotos, a disponibilidade de medicamentos chegava a descer para valores na ordem dos 47,5%. Verificou-se que a disponibilidade de medicamentos nas farmácias privadas era ainda mais baixa do que nos serviços públicos (38,0%). Os medicamentos são dispensados gratuitamente nos hospitais e centros de saúde, mas nas farmácias privadas chegam a ultrapassar 40 vezes os seus preços de referência internacionais, mesmo como genéricos. Consequentemente, estima-se por exemplo, que um funcionário público que utilize diclofenac para o tratamento crónico da artrose, tenha de trabalhar durante mais de 2 dias para pagar o seu tratamento mensal com o medicamento genérico, ou 12,5 dias, se for prescrito o medicamento de marca. Durante o estudo, foram detectados vários outros problemas que podem comprometer a qualidade e segurança dos medicamentos. Apesar das limitações inerentes a uma investigação deste tipo, foi possível concluir através do presente estudo que, ao contrário da tendência geral observada em países similares, o sector público de cuidados de saúde em Timor-Leste parece ter um melhor desempenho do que o privado. No entanto, as condições limitadas da maioria das unidades de saúde públicas pode forçar alguns doentes a recorrer ao sector privado, onde os preços pagos pelos tratamentos são inaceitavelmente elevados. A ausência de regulamentação do sector farmacêutico (e fiscalização insuficiente da existente) parece estar a contribuir para a estagnação do sector privado e a encorajar indirectamente a falta de transparência nas práticas farmacêuticas. Dada a escassez de estudos sobre este assunto em Timor-Leste, espera-se que o presente trabalho forneça evidências importantes que possam ser utilizadas em estudos subsequentes e como base a uma intervenção por parte das autoridades com o objectivo de melhorar a disponibilidade de medicamentos no sistema público e de encorajar o desenvolvimento do sector privado como alternativa viável, segura e de custo aceitável.Access to affordable essential medicines on a sustainable basis is one of the indicators of compliance with the Millennium Development Goals, and can be regarded as part of the human universal right to health. As with other basic commodities, access to medicines depends on multiple factors, like their availability, prices and affordability. Over the last decade, more than 50 surveys using a methodology developed by the World Health Organization and Health Action International have been carried out in low- and middle-income countries, to assess these parameters in an attempt to understand the causes underlying poor access to medicines. Findings typically reveal low availability of essential medicines, particularly in the public health system, and high prices, especially in the private forprofit sector. The objective of the present study was to describe the availability, prices and affordability of essential medicines in Timor-Leste using the WHO/HAI methodology. Data on the availability and prices of a drug tracer list was collected from a sample of hospitals, community health centres and private retail pharmacies. Although results seem to show a reasonable overall availability of generic medicines in the public sector (59.2%), some active substances and therapeutic classes were found to be consistently out of stock across the country. In facilities located in more remote areas, availability could be as low as 47.5%. Drug availability in private pharmacies was found to be even lower (38.0%). Medicines are dispensed free of charge in public health facilities, but in private pharmacies they were found to cost up to 40 times their international reference price, even as generics. As a result, it is estimated that a common government worker using diclofenac to treat chronic arthritis, for instance, would have to work 2.3 days to pay for his monthly treatment with the generic drug, or 12.5 days if the originator brand was prescribed. Other problems affecting medicines quality and safety were also detected throughout the study. Despite its limitations, the present study concluded that, contrarily to the general trend observed in similar countries, the public healthcare system in Timor-Leste seems to perform better than private. Nevertheless, the far from ideal conditions of most public health facilities can still push some patients to the private sector where costs of treatment are unacceptably high. The lack of regulation of the pharmaceutical sector (and inefficient monitoring/inspection of the existing one) seems to be contributing to the private sector’s stagnation and indirectly encouraging lack of transparency in pharmacy practice. Given the paucity of studies on the subject in Timor-Leste, it is hoped that the present work will provide an important evidence base for subsequent studies, and government intervention to better regulate the pharmaceutical sector, with the ultimate objective to improve the public drug supply, and encourage the growth of the private sector as a viable, affordable and safe alternative

Investigating the impact of beam and target parameters in particle imaging

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiação em Diagnóstico e Terapia) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Estima-se que o cancro é a segunda principal causa de morte a nível mundial sendo responsável por aproximadamente 9.6 milhões de mortes em 2018, globalmente correspondendo a 1 em cada 6 mortes98. Cirurgia, radioterapia e quimioterapia estão incluídas como alguns dos vários regimes de tratamento adequados dependendo do tipo de cancro, sendo, portanto, o seu correto diagnóstico um factor de elevada importância. Radioterapia externa é definida como o tratamento que consiste na administração de diferentes tipos de radiação ionizante como o raio-X, raios Gamma, protões ou partículas com carga, utilizados como fim a destruição das células tumorais. Este processo consiste no efeito direto provocado pela radiação na estrutura do DNA, mais especificamente na dupla hélice, provocando uma ativação de sensores de destruição no DNA de modo a causar necrose, apoptose ou produzir um efeito na mitose de forma a deformar as características normais do neoplasma94. Exisre também um efeito indireto de destruição através das espécies reativas de oxigénio produzidas pela radiólise de água. A radiação absorvida pelas células, medida em unidades Gray (Gy) é definida como a quantidade de energia depositada pela radiação ionizante numa massa de volume de tecido, sendo que o dano celular é tanto maior quanto maior for a radiação absorvida85. As partículas carregadas possuem distribuições de profundidade-dose diferentes quando comparadas com fotões. A grande maioria da sua energia é depositada nos milímetros finais da sua trajetória, quando a sua velocidade diminui, sendo este factor o que forma o pico de Bragg, definido como um pico de dose estreito e localizado. O alcance desta mesma partícula no material é observado na posição de paragem do pico de Bragg91. Procedendo ao ajustamento da energia das partículas carregadas é possível depositar com alta precisão as doses pré-prescritas no corpo do doente, levando a que haja um rácio alto de deposição de dose no volume alvo quando comparado com tecido saudável. A errada localização do pico de Bragg pode resultar tanto em overdose dos tecidos saudáveis como em subdosagem do alvo. Portanto, um desafio importante na radioterapia consiste em determinar a energia incidente necessária da partícula de modo a permitir uma alta ionização num lugar específico do corpo humano. Em terapia externa de fotões e protões, anteriormente ao tratamento, uma tomografia computorizada de planeamento é adquirido, onde as estruturas são delineadas de modo a providenciar um mapa de densidade eletrónica que mais tarde é traduzida para valores de poder de paragem71. A prática clínica corrente consiste em adquirir os valores de poder de paragem no doente procedendo à conversão de unidades Hounsfield de uma tomografia computorizada de planeamento para poder de paragem relativo. O poder de paragem relativo é definido como o poder de paragem de um material comparado com o poder de paragem da água43. Esta conversão consiste na correspondência entre valores das unidades Hounsfield e poderes de paragem relativos a partir de uma curva de calibração91. Contudo, não existe uma relação física entre o coeficiente de atenuação mássica do fotão, medido pela tomografia computorizada de planeamento, e os valores de poder de paragem relativos o que leva a incertezas associadas a este método de conversão. Estas incertezas têm um grande impacto no alcance atingido pelas partículas calculado no scan de tomografia computorizada do doente e variam na ordem dos 3%. Portanto, margens de segurança são adicionadas à dose administrada ao doente que rodeia o volume alvo planeado de modo a assegurar um volume total clínico do alvo. Como esperado, devido a estas margens de segurança, um volume significativo de volume de tecido saudável irá também receber dose. Radiografia e tomografia de partículas são ferramentas utilizadas para o planeamento de tratamento e verificação em terapia de partículas de maneira a permitir a visualização da parte do corpo que está a passar pelo scan. A maior vantagem associada à imagiologia de transmissão de partículas quando comparada com a estimação dos valores de poder de paragem relativos com raio-X, é a maior precisão desta estimação devido às medidas efetuadas à espessura equivalente de água percorrida pelos protões ou iões leves após percorrer o doente. Sendo que os valores de espessura equivalente da água estão relacionados com a valores integrados de poder de paragem relativos, os mesmos poderão ser obtidos, em três dimensões, através da reconstrução da tomografia computorizada das projeções medidas dos valores de espessura equivalentes de água71. Portanto, imagiologia de partículas permite a estimação direta de valores relativos de poder de paragem através de tomografia computorizada de partículas. Não obstante, a dispersão múltipla de Coulomb, definido como processos de dispersão de Rutherford sofridos por uma partilha aquando da sua viagem na matéria, limita a qualidade de imagem devido à defleção angular e deslocamento lateral das partículas. Estas dispersões dificultam a predição da localização e ângulo da partícula a uma dada profundidade. De modo a melhorar a resolução espacial, é necessário identificar a posição e direção da partícula antes e depois do objeto assim como medir a sua energia residual individual recorrendo a sistemas de detetores. O detetor utilizado para esta investigação da tese está mais profundamente explicado na secção 4.2. Os algoritmos Most Likely Path (MLP) (“Trajeto mais provável”) e Cubic Spline Path (“Trajetória de linha cúbica”) foram propostos em imagiologia de partículas com objetivo de melhorar o problema associado à dispersão múltipla de Coulomb. Recorrendo aos algoritmos mencionados, o objetivo principal desta tese é, portanto, a investigação da qualidade de imagem de radiografia em função da energia inicial do feixe de partículas. Uma vez que a dispersão múltipla de Coulomb afeta a precisão do algoritmo MLP afetando, portanto, a resolução espacial, tem sido proposto por vários estudos21,32,42,69,88 o uso de iões de hélio como partículas geradoras de imagem devido ao reduzido efeito associado de múltipla dispersão de Coulomb. Além do mais, quando comparados com protões, os iões de hélio possuem menos dispersão de alcance o que significa que têm menos ruído associado à imagem com o mesmo número de partículas por pixel32. Juntando estas vantagens associadas e ainda mais o facto de que os iões de hélio sofrem menos fragmentação quando comparados com partículas pesadas, fez com que estas fossem as partículas escolhidas para imagiologia como estudo para esta tese. O estudo de Amato et al. (2020)5 demonstra que o uso de energias mais altas para o feixe de partículas provoca uma redução da dispersão múltipla de Coulomb levando a um aumento da resolução espacial. Contudo, um aumento de dispersão de alcance da partícula leva a que haja um maior nível de ruído na imagem. No mesmo estudo, apenas objetos homogéneos são estudados e no caso dos objetos heterogéneos a dispersão múltipla de Coulomb aumenta significativamente o ruído de imagem25. Consequentemente, sendo que ainda é desconhecido o comportamento da qualidade de imagem aquando do aumento da energia do feixe para casos reais de doentes, o objetivo principal desta tese é a investigação da qualidade de imagem de radiografia de iões de hélio em função da energia inicial do feixe de partículas, tanto para fantomas homogéneos como para heterogéneos. Um protótipo de detetor68 foi utilizado para simular, com simulações Monte Carlo no software de simulações TOPAS, as radiografias de hélio e, seguindo o estudo de Amato et al. (2020)5, um material degradador de energia (cobre) foi adicionado entre o dispositivo rastreador traseiro e o detetor de energia de modo a compensar os alcances mais elevados associados a maiores energias do feixe. Nesta tese, um fantoma homogéneo de água com três cubos de alumínio inseridos foi estudado assim como um fantoma de uma cabeça pediátrica34 de modo a estudar casos mais realistas. As reconstruções de imagem foram realizadas recorrendo ao algoritmo desenvolvido por Collins-Fekete et al. (2016)19 e a qualidade de imagem foi analisada para resolução espacial, rácio entre contraste e ruído e o ruído por pixel em relação à dose absorvida. Os resultados desta investigação, com o intervalo de energias do feixe utilizado (200-325 MeV/u), envolveram uma melhoria total de 46% de resolução espacial com o aumento da energia do feixe de partículas, exceto para o caso de 325 MeV/u que não segue a tendência. Em relação ao rácio entre contraste e ruído, ocorreu uma diminuição de 42% à medida que a energia do feixe de partículas aumentava. Concluindo, existe uma melhoria qualitativa e quantitativa em termos de resolução espacial nas radiografias de iões de hélio associada ao aumento das energias do feixe de partículas com a adição de um degradador de energia.Cancer is known to kill an estimate of 9.6 million people in 201898. Therefore, it is urgent to ameliorate the associated treatment, specifically radiotherapy. Particle therapy is a form of cancer radiotherapy exploiting the highly localized dose deposit of charged particles, the Bragg peak, for advanced sparing of healthy tissue. However, the highly conformal dose deposit also presents a great challenge as misplacement of the Bragg peak can result in severe overdosage of healthy tissue/underdosage of the target. Precise particle therapy hence requires advanced image guidance methods. This thesis focuses on particle imaging for image guidance in particle therapy. A precise relative stopping power map of the patient constitutes a vital part for accurate particle therapy. Charged particle imaging can determine the stopping power both tomographically with particle computed tomography (pCT), or combining prior knowledge from particle radiography and X-ray CT. In terms of image quality improvement, image reconstruction becomes challenging for particle imaging owing to the existence of Multiple Coulomb Scattering (MCS) limiting image resolution (worse spatial resolution) and leading to increased image noise20. In order to improve the image quality, therefore, most likely path (MLP) reconstruction algorithms are performed, to ameliorate the problem of MCS. Tracking detectors of individual particles before and after the patient are required to use MLP algorithms. Moreover, an energy/range detector is also necessary to measure the particles’ residual energy/range after the patient and to ensure RSP accuracy. Both heavier particles and higher beam energies reduce the effect of multiple Coulomb scattering, leading to a better path estimation. It is also noted, that for lighter ions, fixing the initial range maximizes the physical dose deposition to the patient while minimizing the image quality91. In this thesis, therefore the image quality of helium ion imaging with a recent prototype detector system is evaluated as function of the beam energy in detailed Monte Carlo simulations. With this research project, factors, such as beam and target parameters, involved in increasing image quality were studied in particle imaging taking into account detector design. The idea was to investigate how to improve upon a state-of-the-art prototype scanner, allowing for higher beam energies. This will be accomplished by adding an adequate energy degrader to the detector, between the rear tracker and the energy/range detector. This degrader had its main aim to compensate for the longer range associated with more energetic ions. The main goal was to investigate the image quality as a function of initial energy behave, assuming a realistic detector model in the simulation. Helium ion beams at six different energy levels available at a clinical ion beam therapy facility (200 MeV/u to 325 MeV/u) were used to image two different phantoms: a water phantom with three aluminum cubes inside and an anthropomorphic pediatric head phantom. Monte Carlo simulations were performed using the TOPAS simulation toolkit. For path estimation, the Cubic Spline Path (CSP) was employed, which is a computationally efficient variate of the MLP. To reconstruct helium ion radiographic images the Maximum Likelihood Method used. This algorithm yields highly accurate radiographs without the need of prior knowledge. Further, the image quality was analyzed through the contrast-to-noise-ratio (CNR), per-pixel-noise and the Modulation Transfer Function (MTF), considering the absorbed dose. The results of this investigation, considering the beam energy interval, involve a total spatial resolution improvement of 46% measured with increasing beam energy, except for the 325 MeV/u case which does not fit the trend. In relation to CNR analysis, a decrease of 42% was found as the beam energy increases. In conclusion, there is a quantitatively and qualitatively improvement in terms of spatial resolution in helium-beam radiography with increasing beam energies with the addition of an energy degrader

Spatial distribution of the severity of lung cancer at diagnosis – is it related to socioeconomic factors and access to primary health care?

Trabalho de projeto de mestrado em Bioestatística, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021O cancro do pulmão é dos cancros mais fatais a nível mundial. As estimativas em 2018 para Portugal indicam que 4671 indivíduos morreram de cancro do pulmão, o que corresponde a 16.1% do total de mortes causadas por cancro. Estima-se que existam 5284 novos casos por ano, correspondendo a 9.1% de todos os cancros. A taxa de incidência para homens é 38.8 por cada 100000 habitantes enquanto que para mulheres é 12.6 por cada 100000 habitantes, o que corresponde a um aumento de 75%. A elevada taxa de mortalidade neste tipo de cancro pode ser justificada pelo facto de se tratar de uma doença assintomática. Cancros em estadios avançados têm um prognóstico pouco favorável quando comparados com cancros detetados em estadios menos avançados, daí a importância de um diagnóstico precoce. O estadio determina a escolha de tratamento e representa a severidade do tumor, o que influenciará o tempo de sobrevivênia. A classificação TNM é um sistema de estadios criado com base em três critérios de informação: o tamanho do tumor primário (T), extensão para os nódulos linfáticos vizinhos (N) e extensão para orgãos distantes (M). De acordo com os exames de diagnóstico, a doença pode ser classificada como I, II, IIIA, IIIB or IV, sendo um indicador da severidade da doença. A nova campanha , Treatment for All, da União para o Controlo Internacional do Cancro tem como objetivo reduzir a morte prematura de cancro e promove o acesso equitativo para o tratamento e bem-estar. As condições socioeconómicas são alguns dos fatores que podem comprometer o acesso aos cuidados de saúde. Portanto, o principal objetivo deste estudo foi perceber se os fatores socioeconómicos e o acesso aos cuidados de saúde estão associados com o estadio em que o cancro é diagnosticado. A informação foi recolhida pelo Registo Oncológico Regional Sul (ROR-Sul), que inclui as regiões de Lisboa e Vale do Tejo, Alentejo, Algarve e Região Autónoma da Madeira. O conjunto de dados tinha incluído 2266 pacientes diagnosticados com cancro do pulmão em 2013 e 2014. As variáveis incluídas foram o género, idade, concelho de residência, distrito de residência, morfologia, lateralidade, estadio ao diagnóstico e estado vital. As variáveis socioeconómicas foram extraídas a partir do INE e PORDATA. Através da revisão de literatura, foram identificados alguns indicadores que caraterizam as condições socioeconómicas, bem como as de acesso aos cuidados de saúde. Os dados foram modelados aplicando o modelo de regressão ordinal e o modelo misto de regressão ordinal, usando o concelho de residência como um efeito aleatório, que corresponde à variável que liga o conjunto de dados originais aos indicadores socioeconómicos e de acesso aos cuidados de saúde. O termo aleatório explicará as diferenças entre os concelhos e reduz a componente por explicar do modelo sem um termo aleatório. A correlação linear foi analisada para evitar a inclusão de variáveis independentes fortemente correlacionadas. A variável escolhida entre o par fortemente correlacionado era a mais informativa, excluindo aquela que, sendo menos informativa, estava associada à que foi incluída. A influência de cada uma das variáveis foi analisado de acordo com o odds ratio (OR). Considerando o sinal dos coeficientes de regressão, os resultados do modelo múltiplo sem termo aleatório indicaram que maior número de médicos por cada 1000 habitantes (OR 0.974, 95% CI: 0.942 - 1.008), idades avançadas (OR 0.996, 95% CI: 0.989 - 1.004) e maior número de beneficiários por cada 1000 habitantes (OR 0.998, 95% CI: 0.993 - 1.004) aparentam favorecer estadios mais baixos. Um maior rendimento anual (OR 1.003, 95% CI: 0.949 - 1.060) e um maior número de atendimentos por cada 1000 habitantes (OR 1.005, 95% CI: 0.995 - 1.016), aparentam contribuir para um diagnóstico em estadios avançados. O impacto do género variou de acordo com a categoria da variável resposta. Incluindo o termo aleatório, os resultados também indicaram que um elevado número de médicos por cada 1000 habitantes (OR 0.971, 95% CI: 0.880 - 1.073), uma idade avançada (OR 0.996, 95% CI: 0.988- 1.004) e um maior número de beneficiários por cada 1000 habitantes (OR 0.998, 95% CI: 0.988 - 1.009) aparentam favorecer estadios menos avançados. Um elevado rendimento anual (OR 1.008, 95% CI: 0.942 - 1.078) e um maior número de atendimentos por cada 1000 habitantes (OR 1.007, 95% CI: 0.988 - 1.026) aparentam contribuir para um diagnóstico em estadios avançados. Ao contrário do modelo sem termo aleatório, o efeito do género não varia de acordo com a severidade da doença. Com base no sinal do seu coeficiente de regressão, a possibilidade de um homem ser diagnosticado num estadio avançado era menor que uma mulher (OR 0.866 , 95% CI: 0.572 - 1.312). Apesar da variância associada ao termo aleatório (concelho de residência) tenha sido próxima de 1, a diferença entre estas regiões foram estatisticamente significativas no que diz respeito à severidade do estadio ao diagnóstico. A análise geoespacial mostrou que uma região do Centro tinha menor possibilidade de diagnóstico em estadios superiores. Na Região Autónoma da Madeira, a possibilidade de diagnóstico em estadios superiores era maior. Os resultados dos modelos múltiplos não encontraram evidências de associação entre as condições socioeconómicas e o acesso aos cuidados de saúde e a severidade do cancro do pulmão. O trabalho futuro deve passar pela recolha de mais informações individuais sobre o paciente, como estado civil, hábitos tabágicos, alimentção, mas também condições económicas e de acesso aos cuidados de saúde, como ter médico de família, proximidade de centros de saúde, facilidade para sair do trabalho, cobertura de seguro, etc.Lung cancer is the most lethal type of cancer worldwide. The estimates for Portugal in 2018 indicate that 4671 individuals died of lung cancer, corresponding to 16.1% of total cancer deaths, with 5284 new cases estimated per year, corresponding to 9.1% of all cancers. The incidence rate for males is 38.8 per 100000 inhabitants whereas for females is 12.6 per 100000 inhabitants, which corresponds to an 75% increase. The high mortality rate of this type of cancer can be attributed to the fact that it is an asymptomatic disease, which delays diagnosis. Cancers in more advanced stages have reduced favourable prognosis compared to cancers detected in earlier stages, hence the importance of early diagnosis. The stage determines the choice of treatment and represents the severity of the tumour, which will influence survival time. TNM classification is a staging system created based on three information criteria: the size of the primary tumor (T), the spread to nearby lymph nodes (N) and the spread to distant organs (M). According to the diagnostic exams, the disease can be classified as I, II, IIIA, IIIB or IV, being an indicator of the severity of the disease. The new campaign, Treatment for All, of the Union for International Cancer Control (UICC) aims to reduce premature mortality from cancer and promote equitable access to treatment and care. Socioeconomic conditions can compromise access to primary health care. Therefore, the main aim of this study was to understand if socioeconomic factors and access to primary health care are associated with the stage at which the cancer is diagnosed. Data were collected from the Southern Portugal Cancer Registry (ROR-Sul), which includes the regions of Lisbon and the Tagus Valley, Alentejo, Algarve and Autonomous Region of Madeira. The dataset had included 2266 patients diagnosed with lung cancer in 2013 and 2014. The variables included in the original dataset were gender, age, residence county, residence district, morphology, laterality, stage at diagnosis and vital status. Socioeconomic variables were downloaded from the INE and PORDATA. Through a literature review several indicators characterizing the socioeconomic conditions as well as the access to healthcare conditions were identified. The data were modelled applying the ordinal regression model and the ordinal regression mixed model using the residence county as a random effect, which corresponds to the variable that links the original dataset to the socioeconomic and access healthcare indicators. The random term will explain the differences between counties and reduce the unexplained component of the model without a random term. The linear correlation was analysed to avoid the inclusion of strongly correlated independent variables. The variable chosen among the strongly correlated pair was the most informative, excluding the one that, being less informative, was associated with the one that was included. The influence of each variable was analysed according to the odds ratio (OR). Considering the sign of the regression coefficients, the results of the multivariable model without random term indicated that higher number of doctors per 1000 inhabitants (OR 0.974, 95% CI: 0.942 - 1.008), higher age (OR 0.996, 95% CI: 0.989 - 1.004) and higher number of welfare recipients per 1000 inhabitants (OR 0.998, 95% CI: 0.993 - 1.004) appeared as favouring lower stages. A higher annual income (OR 1.003, 95% CI: 0.949 - 1.060) and a higher number of attendances per 1000 inhabitants (OR 1.005, 95% CI: 0.995 - 1.016), appeared as contributing to a diagnosis in higher stages. The impact of gender varied according to the category. Including the random term, the results also indicated that a higher number of doctors per 1000 inhabitants (OR 0.971, 95% CI: 0.880 - 1.073), a higher age (OR 0.996, 95% CI: 0.988 - 1.004) and a higher number of welfare recipients per 1000 inhabitants (OR 0.998, 95% CI: 0.988 - 1.009) appeared favouring lower stages. A higher annual income (OR 1.008, 95% CI: 0.942 - 1.078) and a higher number of attendances per 1000 inhabitants (OR 1.007, 95% CI: 0.988 - 1.026), appeared as contributing to a diagnosis in higher stages. Unlike the model with no random term, the effect of gender does not vary according to the severity of the disease. Based on the sign of its regression coefficient, the odds of a male being diagnosed at a later stage was less than a woman (OR 0.866, 95% CI: 0.572 - 1.312). Although the variance associated with the random effect (residence county) was close to 1, the difference within regions were statistically significant regarding the severity of stage at diagnosis. The geospatial analysis has shown that a region in the Center had a lower possibility of having a diagnosis at higher stages. In the Autonomous Region of Madeira, the possibility of having a diagnosis at higher stages was higher. The multivariable models results found no evidence of a statistically significant association between socioeconomic conditions and access to healthcare, as they were measured, and lung cancer severity. Future work should collect more individual information about the patient, such as marital status, smoking habits, diet, but also economic conditions and conditions accessing healthcare, such as having a family doctor, proximity to health centres, ease of leaving work, insurance coverage, etc

Evolution of the Aviation Industry: Impact of Digital Transformation of Learning Solutions

Growing innovation in the aviation industry and the impact of Covid-19 is driving the transformation of learning strategies. Research has demonstrated the need and growth of digital learning solutions for the future workforce and so the purpose of this dissertation is to examine these new learning experiences and their impact on both academic and business environments in the aviation industry. Based on the literature review of the evolution of the aviation industry, the impact of Covid19, and the digital transformation of learning solutions, an online survey was made and distributed to potential participants. These participants were part of the aviation industry and were asked to answer eight different questions. The first three questions were aimed at the distribution of the population between academic and business environments, and between student/trainee and teacher/trainer, and the distribution of the different digital learning solutions that are being used by them. The next four questions were asked to see the main strengths, weaknesses, opportunities and threats of using digital learning solutions. The last question consisted in a space to be filled in with additional observations, if that participants had any. Analysis of the answers allowed to make a SWOT matrix on the use of these digital solutions which then allowed to make a TOWS analysis in order to prepare a strategy to mitigate the negative impact. On this basis, it is recommended that academic and business organizations define adequate stratagies in order to promote the use of these solutions in the future.A crescente inovação na indústria aeronáutica e o impacto do Covid-19 estão a impulsionar a transformação das estratégias de aprendizagem. A investigação tem demonstrado a necessidade e o crescimento de soluções de aprendizagem digital para a mão-de-obra futura e por isso o objectivo desta dissertação é examinar estas novas experiências de aprendizagem e o seu impacto tanto no ambiente académico como empresarial na indústria da aviação. Com base na revisão bibliográfica sobre a evolução da indústria aeronáutica, o impacto do Covid-19, e a transformação digital das soluções de aprendizagem, foi feito um inquérito online que foi distribuído aos potenciais participantes. Estes participantes faziam parte da indústria aeronáutica e foram convidados a responder a oito perguntas diferentes. As três primeiras perguntas destinavam-se à distribuição da população entre ambientes académicos e empresariais, e entre estudante/formando e professor/formador, e à distribuição das diferentes soluções de aprendizagem digital que estão a ser utilizadas pelos mesmos. As quatro perguntas seguintes foram feitas para identificar os principais pontos fortes, fraquezas, oportunidades e ameaças da utilização de soluções de aprendizagem digital. E a última pergunta para ser preenchida com observações adicionais, caso existissem. A análise das respostas permitiu fazer uma matriz SWOT sobre a utilização destas soluções digitais que consequentemente permitiu fazer uma análise TOWS a fim de preparar uma estratégia para mitigar o impacto negativo. Nesta base, recomenda-se que as organizações académicas e empresariais utilizem estratégias diferentes como factor chave para prosperar a utilização de soluções digitais no futuro

Communication strategies used to promote the made in Portugal in cosmetics

This paper pretends to study the integration of the ‘Made in Portugal’ concept in the communication of cosmetic brands. To this end, a qualitative methodology was followed: 39 brands were coded through a combination of deductive and inductive approaches of content analysis. Results demonstrated that these brands use communication strategies to promote the Portuguese factor, highlighting the name of the country or the region of origin, emblematic buildings, typical landscapes or the flag of Portugal. The strategies take verbal and visual formats and convey mostly affective and cognitive values. Managerial recommendations and future academic development recommendations are presented in the end

Savings and inflation - a panel threshold model approach

This research investigates the impact of inflation on savings through a panel of 42 countries observed annually between 1995 and 2014. A panel threshold model approach is followed, being one-year lagged inflation the threshold variable and gross savings the dependent one. Findings suggest that inflation has a positive impact on gross savings, particularly at lower levels of inflation. The robustness tests conducted led to conclude that the model does not hold for less developed economies where savings are not so correlated with the inflation level as it is among developed economies