Biological properties of aromatic plants used in folk medicine: a focus on the essential oil of Thymus zygis

For centuries, plants have been used for a wide variety of purposes, such as treating diseases, food flavouring and preservation and perfumery. The essential oils (EOs) are aromatic, oil-like volatile substances present in different plant materials that have a wide range of biological activities and can be used in different areas, such as chemical, cosmetic, food, perfumery, and pharmaceutical industries and have been used as therapeutic agents since ancient times. Thymus zygis is a widespread plant, mainly used as a culinary flavouring agent, which EO has demonstrated bioactive properties, such as antioxidant and antimicrobial, and that may even enhance the effect of certain antimicrobial agents. Furthermore, the potential application as a food preservative has been described on different matrixes mainly due to its antimicrobial activity against pathogenic and spoilage microorganisms in food. Considering the different applications of EOs, this work aimed to study the composition, antioxidant, and antimicrobial properties and also the cytotoxicity of the EOs of Foeniculum vulgare, Helichrysum stoechas, Mentha pulegium, Pinus pinaster, Ruta graveolens, and Thymus mastichina. The chemical composition, and the bioactive properties of the T. zygis EO were also evaluated with a focus on antimicrobial activity against Staphylococcus aureus and Listeria monocytogenes, and application of the EO in food. The F. vulgare, H. stoechas, M. pulegium, P. pinaster, R. graveolens, T. mastichina and T. zygis EOs showed antioxidant activity acting through inhibition of lipid peroxidation, while only the H. stoechas, M. pulegium and T. zygis EOs scavenged the free radicals of DPPH. M. pulegium and T. zygis EOs showed the strongest antimicrobial activity and only volatiles compounds from these EOs demonstrated inhibitory activity. Regarding the EO cytotoxicity on a fibroblasts cell line, it was observed that the effect was directly proportional to the EOs concentration, in which the highest cytotoxic effect was obtained with the R. graveolens EO. Considering the antimicrobial potential of the EO from T. zygis and since it showed the greater activity among the tested EOs, it was decided to proceed with further evaluation of this EO, thus deepening its bioactive activities, mainly the antibacterial activity against S. aureus and L. monocytogenes. Taking into account that S. aureus is a Gram-positive bacterium that causes a wide variety of clinical infections, from less severe to serious and life-threatening infections and because these are aggravated by antibiotic resistance, the antibacterial activity of T. zygis EO against strains of S. aureus was evaluated. The T. zygis EO demonstrated antimicrobial activity against S. aureus strains with bactericidal effect. The EO of T. zygis also revealed a synergistic or additive effect in combination with the antibiotic’s ampicillin, ciprofloxacin, or vancomycin against S. aureus strains and, in some cases, changed the antibiotic-resistance phenotype from resistant to susceptible. The T. zygis EO inhibit the formation of biofilms by S. aureus and partially eliminate the preformed biofilms even at subinhibitory concentrations. The EO reduced the haemolytic activity of S. aureus SA 03/10 (the only strain tested that causes haemolysis) as well the quorum-sensing in Chromobacterium violaceum biosensor. Therefore, these results demonstrate the good bioactive properties of the T. zygis EO, mainly the antimicrobial activity against S. aureus, revealing its potential to be used as an antibacterial agent and/or as an enhancer of the effect of antibiotics. Since L. monocytogenes is a foodborne Gram-positive bacterium with a high mortality rate and has the ability to survive and replicate in adverse conditions, allowing the wide distribution of this bacterium in different environments and matrices, such as water, soil, and food products, the antimicrobial activity of T. zygis EO against strains of L. monocytogenes was evaluated. The T. zygis EO presented good antibacterial activity against L. monocytogenes with MIC value of 0.05% while showing a bactericidal effect. The EO significantly reduced the biofilm formation with inhibition percentages from 16.85 to 89.86% and also the motility, while not inducing cross-resistance to antibiotics. The concentration of 2× MIC of T. zygis EO reduced the L. monocytogenes counts (initial inoculum of ~106 CFU/mL) in the chicken juice (1.53 log CFU/mL) and the lettuce model (to below the detection limit) after two days of storage. Regarding the sanitizing of fresh vegetables, the use of 0.2% (v/v) of EO for 5 min of immersion, reduce L. monocytogenes and natural microbiota counts for values below the detection limit of the method for iceberg lettuce. For the spinach leaves, L. monocytogenes and the natural microbiota counts were reduced to 4.35 log CFU/mL and in a range of 4.47 to 5.94 log CFU/mL, respectively, when compared with the washing with water. Thus, the T. zygis EO has demonstrated promising antibacterial activity against L. monocytogenes and these results point to the potential use of the T. zygis EO as a natural food preservative or sanitiser for controlling L. monocytogenes and the natural microbiota in food products. Overall, the present study revealed significant bioactive properties of different EOs, highlighting T. zygis EO to be considered in further studies for potential use in food preservation, due to their antioxidant and antimicrobial properties as well as in the control and reduction of the pathogenicity of the L. monocytogenes and S. aureus.Durante séculos, as plantas têm sido utilizadas numa ampla variedade de aplicações, tais como o tratamento de doenças, aromatização e conservação de alimentos e perfumaria. Os óleos essenciais são substâncias voláteis aromáticas, presentes em diferentes partes das plantas, como frutas, sementes, polpa, casca ou raiz e que têm sido usados como agentes terapêuticos desde a antiguidade. De facto, estes possuem uma ampla gama de atividades biológicas, podendo ser aplicados em diferentes áreas, como química, cosmética, indústria alimentar, perfumaria e farmacêutica. O Thymus zygis é uma planta amplamente distribuída, utilizada principalmente como aromatizante culinário e o seu óleo essencial tem demonstrado propriedades bioativas, como atividade antioxidante, antibacteriana, inseticida e antiparasitária. Além disso, a potencial aplicação como conservante de alimentos tem sido descrita em diferentes matrizes alimentares, principalmente devido à sua atividade antimicrobiana contra microrganismos patogénicos e deteriorantes de alimentos. O aumento da resistência dos microrganismos aos antibióticos e o surgimento de novas doenças, exigem o desenvolvimento urgente de novos agentes antimicrobianos mais fortes e eficazes. Assim, as plantas medicinais são promissoras, pois oferecem fontes únicas e renováveis de novos compostos com propriedades bioativas. Considerando as diferentes aplicações dos óleos essenciais, este trabalho teve como objetivos estudar a composição, propriedades antioxidantes, antimicrobianas e também a citotoxicidade dos óleos essenciais de Foeniculum vulgare, Helichrysum stoechas, Mentha pulegium, Pinus pinaster, Ruta graveolens e Thymus mastichina e avaliar a composição química e as propriedades bioativas do óleo essencial de T. zygis com foco na atividade antimicrobiana contra Staphylococcus aureus bem como o seu efeito anti-Listeria monocytogenes e aplicação em alimentos como conservante. Através da cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC-MS) verificou-se que os óleos essenciais possuem composição diferente, identificando-se diversos compostos no óleo essencial de F. vulgare (12 compostos), H. stoechas (27), M. pulegium (8), P. pinaster (24), R. graveolens (8), T. mastichina (16) e por fim no EO de T. zygis 18 compostos com o anetol, acetato de neril, pulegona, α-pineno, 2-undecanona, 1,8-cineol e timol como compostos maioritários, respetivamente. Apenas os óleos essenciais de H. stoechas, M. pulegium e T. zygis sequestraram os radicais livres de DPPH exibindo uma atividade antioxidante muito forte, enquanto todos os óleos essenciais apresentaram atividade antioxidante atuando por meio da inibição da peroxidação lipídica de acordo com o ensaio do β-caroteno. Assim, verificou-se que os óleos essenciais de H. stoechas, M. pulegium e T. zygis possuem atividade antioxidante através de pelo menos dois mecanismos de ação distintos, a sequestração de radicais livres e inibição da peroxidação lipídica. Os óleos essenciais de M. pulegium e T. zygis exibiram atividade antimicrobiana mais relevante com concentração mínima inibitória (MIC, do inglês minimum inhibitory concentration) entre os valores de 0,06 e 4 μL/mL, exceto para Pseudomonas aeruginosa, que foi a espécie mais resistente. As espécies de Candida foram as mais suscetíveis a estes óleos essenciais (halos de inibição entre 30,94 ± 5,34 e 64,35 ± 4,44 mm) e apenas os compostos voláteis destes dois óleos essenciais, libertados do disco durante a incubação, demonstraram atividade inibitória (halos de inibição entre 19,28 ± 3,45 e 65,18 ± 8.78 mm). Por outro lado, os óleos essenciais de H. stoechas e R. graveolens revelaram a atividade antimicrobiana mais fraca (halos de inibição entre 6,00 ± 0,00 e 11,82 ± 1,07 mm e MIC entre 16 e >256 μL/mL). Em relação à citotoxicidade dos compostos, esta foi avaliada considerando o seu efeito sobre uma linha celular de fibroblastos (NHDF), sendo que o efeito foi diretamente proporcional à concentração de óleos essenciais, obtendo-se maior atividade citotóxica com o óleo essencial de R. graveolens. Pelo contrário, com o óleo essencial de T. zygis com concentrações entre 0,0030 e 0,0125%, obteve-se viabilidade superior a 70% e tendo em conta a ISO 10993:5-2009, pode-se considerar que estas concentrações não são citotóxicas. Tendo em atenção o potencial antimicrobiano do óleo essencial de T. zygis e uma vez que mostrou maior atividade que os restantes óleos essenciais, decidiu-se avançar com estudos com este óleo essencial, aprofundando assim as suas atividades bioativas, principalmente a atividade antibacteriana contra S. aureus e L. monocytogenes. Considerando que S. aureus é uma bactéria Gram-positiva que causa vários tipos de infeções clínicas, e que em alguns casos pode estar associada a elevada morbilidade e mortalidade, as quais podem ser agravadas pela resistência a antibióticos, a atividade antibacteriana do óleo essencial de T. zygis foi avaliada contra estirpes desta espécie. O óleo essencial revelou atividade antimicrobiana contra estirpes de S. aureus com MIC de 0,05 e 0,1% (v/v) apresentando efeito bactericida. Para além disso, os compostos voláteis do óleo essencial de T. zygis também inibiram o crescimento destas estirpes. Relativamente ao efeito combinado com antibióticos, o óleo essencial de T. zygis demonstrou um efeito sinérgico em combinação com os antibióticos ampicilina e ciprofloxacina contra a estirpe S. aureus MRSA 12/08 e efeito aditivo com a vancomicina. Em relação às estirpes S. aureus ATCC 25923 e SA 03/10, a combinação do óleo essencial de T. zygis com os três antibióticos revelou efeito aditivo. Em alguns casos, a junção do óleo essencial de T. zygis alterou o fenótipo de resistente para suscetível ao antibiótico, de acordo com os valores de corte do Clinical and Laboratory Standards Institute, como se pode verificar para a estirpe SA 03/10 aos três antibióticos testados e para a estirpe MRSA 12/08 à ampicilina e ciprofloxacina em que os valores de MIC reduziram consideravelmente restaurando a sensibilidade a estes. Adicionalmente, o óleo essencial de T. zygis também inibiu a formação de biofilmes formados pelas estirpes de S. aureus e eliminou parcialmente os biofilmes preformados mesmo em concentrações subinibitórias. A pré-exposição de S. aureus a concentrações subinibitórias do óleo essencial de T. zygis reduziu significativamente a atividade hemolítica de S. aureus SA 03/10 (única estirpe em estudo que provocou hemólise de eritrócitos) em comparação com os respetivos controlos, de forma dose-dependente. A comunicação entre células permite o controlo da regulação e libertação de fatores de virulência por parte das bactérias e utilizando Chromobacterium violaceum como um biossensor para avaliar o potencial do óleo essencial como inibidor deste processo, os resultados mostraram que concentrações subinibitórias do óleo essencial de T. zygis inibiram significativamente a produção do pigmento violaceína sem afetar o crescimento deste biossensor. Assim, verificou-se que este óleo essencial também reduz esse processo de regulação de virulência. Resumindo, as concentrações testadas de óleo essencial de T. zygis reduzem significativamente o crescimento de S. aureus, tanto de células planctónicas como de biofilmes, potenciam o efeito de antibióticos e inibem a capacidade hemolítica e a comunicação entre células. Portanto, esses resultados demonstram promissoras propriedades bioativas do óleo essencial de T. zygis, revelando o seu potencial para ser utilizado como agente antibacteriano e/ou potenciador do efeito de antibióticos. Tendo em conta que L. monocytogenes é um dos agentes bacterianos causadores de doenças transmitidas por alimentos com mais elevada taxa de mortalidade e possui a capacidade de sobreviver e de se replicar em condições adversas vulgarmente associadas ao sector alimentar permitindo a sua ampla distribuição em diferentes ambientes e matrizes alimentares, foi avaliada a atividade antimicrobiana do óleo essencial de T. zygis contra estirpes desta bactéria. O óleo essencial de T. zygis apresentou também atividade antibacteriana contra L. monocytogenes com halos de inibição entre 41,55 ± 2,63 e 55,04 ± 3,64 mm, tal como os seus compostos voláteis (halos de inibição entre 36,13 ± 3,41 e 50,43 ± 2,59 mm), com um MIC de 0,05%, apresentando também efeito bactericida. Concentrações subinibitórias do óleo essencial reduziram significativamente a motilidade das três estirpes em estudo, reduzindo também a formação de biofilme com percentagens de inibição entre 16,85 e 89,86%, mesmo com concentrações subinibitórias. Uma pré-exposição de L. monocytogenes ao óleo essencial de T. zygis, apenas aumentou a robustez de L. monocytogenes quando sujeita a stress osmótico, não afetando a sua tolerância a outros fatores de stress, tais como a dessecação, pH ácido e elevadas temperaturas. Para além disso, a pré-exposição a óleo essencial de T. zygis não induziu resistência cruzada a antibióticos de diferentes classes, como ampicilina, cefotaxima, eritromicina, gentamicina, tetraciclina e vancomicina. Como a capacidade de invasão desta bactéria permite a passagem através das células epiteliais do intestino, provocando infeções generalizadas no hospedeiro, o óleo essencial de T. zygis foi testado em relação à capacidade de invasão em células de adenocarcinoma colorretal humano (Caco-2). A incubação com concentrações subinibitórias do óleo essencial de T. zygis não afetou o poder de invasão de L. monocytogenes, sendo assim considerado um fator neutro. Uma vez que o uso de compostos antimicrobianos sintéticos como conservantes de alimentos tem despertado a preocupação dos consumidores e tendo em atenção a atividade antimicrobiana obtida para o óleo essencial de T. zygis, avaliou-se o uso deste óleo como um conservante e desinfetante de alimentos. Verificou-se que as duas concentrações mais elevadas do óleo essencial de T. zygis (2× e 1× MIC) reduziram significativamente as contagens de L. monocytogenes (inóculo inicial de ~106 UFC/mL) num modelo de suco de frango (1,53 log UFC/mL) e no modelo de alface Iceberg (abaixo do limite de deteção), após dois dias de armazenamento em refrigeração. Em relação às amostras de leite (leite magro e leite gordo), a diferença no conteúdo lipídico influenciou a atividade antibacteriana do óleo essencial de T. zygis, sendo que apenas se obteve uma redução significativa das contagens bacterianas com a concentração mais elevada e no leite magro. Para concentrações subinibitórias do óleo essencial de T. zygis, apenas a concentração 0,5× MIC mostrou uma redução significativa e apenas no modelo de alface, a partir do quarto dia de armazenamento. Em relação à desinfeção de vegetais frescos, o uso de 0,2% (v/v) de óleo essencial por 5 min de imersão, reduz a contagem de L. monocytogenes e da microbiota natural para valores abaixo do limite de deteção do método na lavagem das folhas de alface. Nas folhas de espinafre, as contagens de L. monocytogenes e da microbiota natural foram reduzidas para 4,35 log UFC/mL e no intervalo de 4,47 a 5,94 log UFC/mL, respetivamente, quando comparadas com a lavagem apenas com água. Assim, o óleo essencial de T. zygis demonstrou atividade antibacteriana promissora contra L. monocytogenes e estes resultados apontam para o potencial uso do óleo essencial de T. zygis como conservante ou desinfetante natural de alimentos para o controlo de L. monocytogenes e da microbiota natural em produtos alimentares. No geral, o presente estudo revelou propriedades bioativas significativas de diferentes óleos essenciais, destacando o óleo essencial de T. zygis, a ser considerado em estudos futuros, devido às suas propriedades antioxidantes e antimicrobianas, bem como no controle e redução da patogenicidade de S. aureus e L. monocytogenes

Atitudes face à sexualidade dos alunos do 3º ciclo do ensino básico

Enquadramento: Numa sociedade em crescente transformação de valores e padrões culturais, são inúmeros os desafios que se colocam aos adolescentes, em particular na área da sexualidade, e estes podem levar a adopção de atitudes e condutas sexuais com implicações na sua saúde. Objectivos: Identificar as atitudes face à sexualidade; analisar as relações existentes entre as atitudes face à sexualidade e as variáveis sócio-demográficas e as vivências da sexualidade e ainda identificar os factores determinantes que influenciam as atitudes face à sexualidade dos alunos do 3º ciclo das escolas do Concelho de Tabuaço e Fundão. Métodos: Trata-se de um estudo quantitativo, descritivo-correlacional, explicativo e transversal, com uma amostra não probabilística por conveniência de 545 alunos (262 rapazes e 283 raparigas), idade média de 13,95 anos. O protocolo de avaliação inclui um questionário que permite fazer a caracterização sócio-demográfica e as vivências da sexualidade e ainda a Escala de atitudes face à sexualidade em adolescentes (Nelas, Silva, Ferreira, Duarte e Chaves, 2010). Resultados: Os principais interlocutores da sexualidade são os amigos (59,8%), secundado pela mãe (40,9%). Na amostra, 12,7% já teve relações sexuais, sendo que 43,1% iniciou-as aos 14 anos, com os rapazes a começarem mais cedo a prática sexual. A maioria (46,6%) apresenta atitudes favoráveis face à sexualidade e 40,4% atitudes desfavoráveis. Os alunos do sexo feminino, com 14 anos, que frequentam o 8º e 9º ano, residentes na cidade, que falam com a mãe sobre sexualidade e que ainda não iniciaram a actividade sexual apresentam atitudes mais favoráveis face à sexualidade. São factores determinantes das atitudes face à sexualidade o concelho, o sexo, a mãe, os amigos e o ano de escolaridade. Conclusão: Face aos resultados obtidos é essencial que os factores que influenciam as atitudes face à sexualidade sejam tidos em conta na implementação de programas de educação sexual no 3º ciclo do ensino básico. Palavras-chave: Alunos, Atitudes, Sexualidade, Educação sexual.ABSTRACT Framework: In a society in increasing transformation of values and cultural standards, the adolescents have many challenges to deal with, in particular in the sexuality’s area, and these could lead to an adoption of attitudes and sexual behaviours with impact in its health. Objectives: To identify the attitudes regarding to the sexuality; to analyse the relations between the attitudes regarding to the sexuality and the socio-demographic variations and the experiences of the sexuality and also to identify the determinative factors that influence the attitudes regarding to the sexuality of the pupils in the 3rd school year in the schools of the town hall of Tabuaço and Fundão. Methods: It handles about a quantitative study, descriptive-correlational, explicative and transversal with a non-probabilistic sample by convenience of 545 pupils (262 boys and 283 girls), on average age of 13,95 years old. The evaluation’s protocol includes a questionary, which allows to do the sociodemographic characterization and the experiences of the sexuality and also the attitudes’scale regarding to the sexuality in adolescents (Nelas, Silva, Ferreira, Duarte and Chaves, 2010). Results: The main interlocutors of the sexuality are friends (59,8%), in the second place is the mother (40,9%). In the sample, 12,7% have already had sexual relations, being that 43,1% began at the age of 14 years old, in which the boys started earlier their sexual relations. The majority (46,6%) presents favorable attitudes regarding to the sexuality and 40,4% disfavorable attitudes. The female pupils, with 14 years old, who attend the 8th and 9th school year, living in the city, who talk with their mother about sexuality and that they have not started yet the sexual activity, present more favorable attitudes according to the sexuality. The council, the sex, the mother, the friends and the school year are determinative factors of the attitudes according to the sexuality. Conclusion: According to the final results, it is important that the factors, wich influence the attitudes regarding to the sexuality, must be taken into account on the implementation of the sexual educational programs in the third cycle of basic education. Key words: Pupils, Attitudes, Sexuality, Sexual education

Understanding the role of glycerol in triggering parasite differentiation

Trypanosoma brucei (T. brucei) is an extracellular parasite and the causative agent of African trypanosomiasis. The protozoan exhibits a complex life cycle taking place in an insect vector and a mammalian host and requires morphologic and metabolic adaptations in order to survive in distinct environments. T. brucei can occupy the bloodstream of its mammalian host as two forms: proliferative slender forms and cell-cycle arrested stumpy forms. Differentiation of slender forms to stumpy forms occurs in response to activation of a density-sensing pathway elicited by an elusive Stumpy Induction Factor (SIF) produced by the parasites. In my thesis we explore a potential impact of parasite-derived metabolites in the in vitro differentiation of slender forms into stumpy forms, with emphasis on glycerol. For this purpose, several biochemical and cellular assays were performed to monitor this developmental transition. In order to elucidate the molecular mechanism underlying the differentiation of slender forms into stumpy forms, we also generated mutant parasite lines for the transport and production of metabolites and characterized their phenotypes

Identification of novel molecular determinants of tissue mineralization in fish

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015The identification of genes involved in signaling and regulatory pathways, and matrix formation is paramount to the better understanding of the complex mechanisms of bone formation and mineralization, and critical to the successful development of therapies for human skeletal disorders. To achieve this objective, in vitro cell systems derived from skeletal tissues and able to mineralize their extracellular matrix have been used to identify genes differentially expressed during mineralization and possibly new markers of bone and cartilage homeostasis. Using cell systems of fish origin and techniques such as suppression subtractive hybridization and microarray hybridization, three genes never associated with mechanisms of calcification were identified: the calcium binding protein S100-like, the short-chain dehydrogenase/reductase sdr-like and the betaine homocysteine S-methyltransferase bhmt3. Analysis of the spatial-temporal expression of these 3 genes by qPCR and in situ hybridization revealed: (1) the up-regulation of sdr-like transcript during in vitro mineralization of gilthead seabream cell lines and its specificity for calcified tissues and differentiating osteoblasts; (2) the up-regulation of S100-like and the down-regulation of bhmt3 during in vitro mineralization and the central role of both genes in cartilaginous tissues undergoing endo/perichondral mineralization in juvenile fish. While expression of S100-like and bhmt3 was restricted to calcified tissues, sdr-like transcript was also detected in soft tissues, in particular in tissues of the gastrointestinal tract. Functional analysis of gene promoters revealed the transcriptional regulation of the 3 genes by known regulators of osteoblast and chondrocyte differentiation/mineralization: RUNX2 and RAR (sdr-like), ETS1 (s100-like; bhmt3), SP1 and MEF2c (bhmt3). The evolutionary relationship of the different orthologs and paralogs identified within the scope of this work was also inferred from taxonomic and phylogenetic analyses and revealed novel protein subfamilies (S100-like and Sdr-like) and the explosive diversity of Bhmt family in particular fish groups (Neoteleostei). Altogether our results contribute with new data on SDR, S100 and BHMT proteins, evidencing for the first time the role for these three proteins in mechanisms of mineralization in fish and emphasized their potential as markers of mineralizing cartilage and bone in developing fish

Modelling evolutionary dynamics of bacterial infections under treatment

Tese de mestrado em Bioinformática e Biologia Computacional, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017Infeções bacterianas que apresentam resistência a um ou mais antibióticos não são um problema recente na prática da Medicina. Uma prova disso é Alexander Fleming, autor dos primeiros registos relacionados com antibióticos, que foi também dos primeiros a observar situações de resistência. No entanto, ao longo dos últimos anos, esta problemática tem-se agravado e tornou-se uma prioridade global no que diz respeito à Saúde Pública. A gravidade é de tal nível que esta situação já é reconhecida como uma ameaça colossal ao núcleo da Medicina Moderna pela Organização Mundial da Saúde, tendo esta instituição também já lançado uma lista de agentes bacterianos para os quais é mais urgente o desenvolvimento de novas terapêuticas. Para além disto, esta temática apresenta impactos de carácter económico que têm aumentando, o que tornam ainda mais urgente o controlo e, num nível mais avançado, a prevenção da resistência a antibióticos. Vários campos de pesquisa, como a Epidemiologia Evolutiva e Clínica ou a Modelação Matemática de Infeções e Transmissão de Doenças têm focalizado grande parte das suas pesquisas nesta questão. Dado o aumento significativo do número de agentes bacterianos resistentes a um ou mais medicamentos antimicrobianos e a incapacidade da indústria química de criar novos antibióticos a um ritmo que faça frente a esta onda de resistência, a comunidade científica tem-se dedicado a este assunto de diferentes formas. Para além de já existirem, por exemplo, bases de dados onde é possível identificar a que substâncias é resistente cada bactéria, é frequente encontrar, na literatura científica, vários modelos biomatemáticos associados ao tema. Na maioria deles, o principal objetivo é identificar, entre os diversos potenciais tipos de tratamento antibacteriano, aqueles que minimizam tanto quanto possível a seleção de resistência a medicamentos, sem comprometer a saúde do paciente. Serão os tratamentos mais agressivos os ideais para alcançar este propósito? Ou a resposta implicará alterar todo a paradigma associado ao uso dos antibióticos, tornando a sua administração flexível e em função da resposta do paciente, em tempo real? Apesar de todo o progresso significativo alcançado nos últimos anos, continua a ser uma tarefa árdua travar o surgimento de resistência a novas terapias antimicrobianas. Para além disso, lidar com agentes bacterianos que já apresentam resistência continua a tratar-se de uma tarefa ingrata ao nível da prática clínica. Neste momento, tudo aponta para que a chave deste enigma implique explorar e conhecer os diferentes mecanismos de controlo durante as infeções bacterianas e ainda as dinâmicas evolutivas nos diferentes cenários de doença. Nesta dissertação, abordamos essa questão desenvolvendo vários modelos matemáticos e explorando-os através de diferentes ferramentas computacionais, desde análise numérica até séries de simulações. Para isso, estabelecemos inicialmente três cenários biológicos que descrevem o estado da infeção bacteriana. Um primeiro, denominado colonização, para a situação em que, apesar do hospedeiro estar infectado por bactérias, não há estimulação de resposta imunitária e a infecção mantém-se sob controlo por ação da densidade equilibrada máxima. Um outro, apresentado como persistência em que, por sua vez, a existência de bactérias, em valores mais elevados, implica uma consequente resposta imunitária. Este cenário pode ser associado na prática clínica a uma infeção estacionária crónica. Um último é definido como eliminação, momento a partir do qual o hospedeiro está livre da infeção, panorama comum após uma infeção aguda. Primeiramente, recorremos a modelos determinísticos. As grandes novidades, quando comparados com os modelos já propostos na literatura, surgem na modelação logística do crescimento bacteriano e ainda na utilização de uma equação única para descrever toda a resposta imunitária. Estes são utilizados para analisar as condições de equilíbrio que permitem a passagem de um cenário de infeção para outro, entre colonização, persistência e eliminação. Estes resultados são repetidos para infeções bacterianas sem e com tratamento. A administração de agentes antimicrobianos é modelada, nesta dissertação, recorrendo a diferentes abordagens, que em última análise, são comparadas entre si. Os resultados apontam para que a modelação clássica e mais simples, que implica uma dose constante ao longo do período de tratamento, é representativa do processo. Contudo, tanto a farmacodinâmica das drogas como a sua eficiência podem ser modeladas de outras maneiras, o que poderá influenciar os resultados e trazer novos conhecimentos para a área. Este tipo de modelo permite um estudo assintótico, descrito acima, mas também uma análise das dinâmicas transientes. Nesse campo, foram comparadas infeções bacterianas crónicas e agudas. No primeiro caso, foi observado que o início da administração do antibiótico em diferentes dias, que correspondem a diferentes combinações de bactérias sensíveis e resistentes, vai resultar em diferentes desenlaces para o hospedeiro. No caso de se tratar de uma infeção aguda e considerando os valores dos parâmetros usados na dissertação, o hospedeiro é capaz de eliminar todas as subpopulações bacterianas, sem recorrer a qualquer tratamento, apenas por ação do seu sistema imunitário. As consequências do uso de antibióticos podem, neste caso, ser dúbias: o tratamento tanto pode resultar na seleção de bactérias resistentes, fazendo com que a infeção piore e acabe por progredir para um caso crónico, como pode acelerar o processo de cura, reduzindo os efeitos prejudicais para o hospedeiro. Os últimos resultados da dissertação surgem associados às dinâmicas evolutivas das infeções bacterianas com tratamento. Neste campo, são estudadas em particular infeções bacterianas agudas cujo tratamento é iniciado antes do sistema imunitário estar a funcionar no seu pleno. O modelo matemático híbrido apresentado aqui tem uma componente na qual a estocasticidade é imposta no surgimento de novas estirpes bacterianas e uma outra componente determinística, associada ao crescimento bacteriano. Cada estirpe bacteriana é caracterizada por dois traços fenotípicos: o custo na taxa de crescimento exponencial intrínseca e a suscetibilidade aos antibióticos. Este modelo é usado como uma ferramenta exploratória para simular e estudar a seleção de resistência. É também através dele que se estuda o impacto de diferentes tipos de tratamento, variando a sua dose e duração e que nesta dissertação surgem em cinco grupos diferenciados: tratamento com dose baixa e duração baixa; tratamento com dose alta e duração baixa; tratamento com dose média e duração média; tratamento com dose baixa e duração alta; e ainda tratamento com dose alta e duração alta. Os resultados preliminares mostram que a ideia geral de que tratamentos agressivos (doses e durações mais altas) resultam numa maior probabilidade de cura acoplada a uma diminuição da seleção não pode ser comprovada. Por sua vez, doses baixas ou curtas durações geram mais oportunidades para uma maior evolução, e estão, portanto, associadas a cenários de maior resistência. No geral, as simulações fazem crer que se o tratamento se iniciar no momento adequado, com uma dose moderada e considerando que o hospedeiro é competente a nível imunitário, é estimulada uma interação sinérgica entre hospedeiro, infeção e tratamento. Neste caso, a probabilidade de eliminação torna-se mais elevada. Um dos maiores desafios que advém da elaboração desta dissertação prende-se com a capacidade de associar ao modelo observações experimentais de sistemas particulares compreendidos pelo hospedeiro e pela população bacteriana, onde uma visão mais geral e realista das dinâmicas de tratamento e evolução da infeção possam ser integradas. Em linhas gerais, esta investigação assenta na modelação matemática de infeções bacterianas e comprova, de novo, o poder avassalador desta ferramenta quando associada a análises numéricas e simulações computacionais. Todo o trabalho levado a cabo durante esta dissertação permite-nos afirmar que, no campo da resistência a antibióticos, estamos agora mais perto do objetivo último: o seu controlo e a sua prevenção.Antimicrobial resistance in bacterial infections is not new. However, in the last years, it has become a global public health priority, already recognized as a colossal threat to the core of modern medicine by World Health Organization. In view of the urgency of its management and, at a more advanced level, its prevention, several research fields, such as Evolutionary Epidemiology, focus their work in this major problem. Given the dramatic increase in the number of bacterial agents resistant to one or more antimicrobial drugs, it is frequent to find, in the scientific literature, biomathematical models whose main goal is to identify, among the diverse potential treatment regimes, those that minimize selection for drug resistance while seeking for general quantitative principles of infection clearance. Despite this progress - and because several gaps are found when the scope of this problem is being determined - it still remains a difficult task to stop the emergence of resistance to new antimicrobial therapeutics and to deal with already resistant bacterial pathogens. In this study we visit this question by developing several mathematical models of infection under treatment and exploring them computationally. Specifically, deterministic models are used to analyze the equilibria conditions which allow to move from one infection scenario to another, among colonization, persistence and clearance. These findings, in the absence and in the presence of treatment, are conjugated with evolutionary dynamics. Evolution is modeled through a series of stochastic events, giving rise to bacterial strains with different growth and antibiotic resistance phenotypes. The hybrid model, in which stochasticity is imposed in the emergence of new bacterial strains and followed by deterministic growth, is used as an exploratory tool to simulate and study resistance selection and treatment outcomes. Our preliminary findings show that high cost, high resistant mutations are not directly favored by aggressive treatments. Sub-inhibitory doses or short durations generate more opportunity for further evolution. Finally, we discuss future directions for improving the mathematical models and assess their realism; and also propose a series of extensions worth exploring with this framework

Null subjects and null objects in L1 European Portuguese – L2 English

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