Adriano Mesquita Alencar.

O presente projeto tem como objetivo explorar o fascinante campo da termodinâmica de células artificiais, que são estruturas sintéticas projetadas para replicar algumas das propriedades e funcionalidades das células biológicas. As células artificiais oferecem uma abordagem inovadora para estudar e compreender os processos fundamentais da vida, permitindo-nos investigar questões complexas relacionadas à biologia celular, biotecnologia, termodinâmica fisiológica e até mesmo aplicações tecnológicas como biorremediação, biossensores e produção de bioenergia. Durante este projeto, buscaremos desenvolver métodos e mensurar propriedades de transporte, termodinâmicas e metabólicas de células vivas, focando nossos esforços na dinâmica de proteínas transportadoras que podem chegar a consumir mais de 50 da energia total gasta por uma célula típica.

Grande parte da energia consumida no mundo é derivada direta ou indiretamente da queima de combustíveis fósseis à base de carbono, que também é matéria-prima para uma extensa cadeia de produtos. A queima de combustíveis fósseis à base de carbono está diretamente ligada ao aumento da concentração de CO2 na atmosfera, que é uma das fontes que contribuem para o aquecimento global junto com o CH4. Portanto, para minimizar os problemas futuros para o nosso mundo, existem várias ações em todo o mundo para identificar soluções em larga escala para alcançar a sociedade moderna de CO2 líquido, ou seja, a transição energética para um mundo sustentável.

Esse é um projeto multidisciplinar entre a física e a medicina cujo foco principal é caracterizar e entender a dinâmica de três tipos de células cardíacas, ou cardiomiócitos: (1) humano iPS, (2) neonato de rato WT (Wild Type), e (3) neonato de rato KO-CPR3. Esses cardiomiócitos são atualmente utilizados como modelos experimentais em pesquisas visando o entendimento de doenças cardíacas e a regeneração do coração. A dinâmica basal, bem como a resposta a fármacos, dos cardiomiócitos será avaliada em primeira instância por duas técnicas: Microscopia de Força de Tração (TFM) e interferometria por Speckle.

Esse é um projeto multidisciplinar entre a física e a medicina cujo foco principal é caracterizar e entender a dinâmica de três tipos de células cardíacas, ou cardiomiócitos: (1) humano iPS, (2) neonato de rato WT (Wild Type), e (3) neonato de rato KO-CPR3. Esses cardiomiócitos são atualmente utilizados como mo- delos experimentais em pesquisas visando o entendimento de doenças cardíacas e a regeneração do coração. A dinâmica basal, bem como a resposta a fármacos, dos cardiomiócitos será avaliada em primeira instân- cia por duas técnicas: Microscopia de Força de Tração (TFM) e interferometria por Speckle. A primeira técnica avalia a dinâmica das tensões que a célula faz sobre um substrato flexível a partir da movimen- tação de nanopartículas incorporadas ao substrato. Enquanto a segunda técnica irá avaliar as flutuações no caminho óptico decorrente da pulsação dos cardiomiócitos. Essas duas técnicas são complementares e irão fornecer informações valiosas no que diz respeito ao campo de tensão, freqüência e homogeneidade das contrações dessas células. No decorrer do projeto iremos incorporar duas outras técnicas, Microsco- pia Holográfica Digital e técnica de visualização e análise de imagens de fibras de actina via marcadores fluorescentes. A primeira será complementar a técnica de Speckle e a segunda complementar a TFM no entendimento do arranjo estrutural dessas células. Recentemente obtivemos resultados preliminares de TFM com as células WT o que nos motivou a ampliar o estudo. O entendimento das diferenças e do comportamento dessas células na presença de fármacos terá um impacto positivo nas pesquisas visando à regeneração do coração.

As doenças Cardiovasculares (DCV) representam um dos maiores problemas de saúde no país e no mundo. Estamos propondo uma abordagem integrada centrada no uso de estratégias genéticas para decompor fenótipos complexos, combinada a determinação dos mecanismos pelos quais variantes genéticas influenciam fenótipos cardíacos e vasculares específicos. Os objetivos principais da proposta são: 1. Identificação de mecanismos associados a gênese das DCVs e 2. Estabelecer terapêuticas mais direcionadas às DCVs. Estes objetivos serão alcançados pelo desenvolvimento de nove projetos que visam 1. A identificação dos determinantes genéticos da hipertensão arterial; 2. Esclarecer os mecanismos pelos quais forças físicas ("shear-stress" e "strain") influenciam a homeostasia vascular e os estados patológicos; 3. Determinar se a capacidade regenerativa cardíaca pode ser modelada terapeuticamente ou substituída por estratégias de terapia celular para impedir a deterioração cardíaca e a progressão da DCV; e 4. Determinar como variantes genéticas influenciam risco CV e desfechos. Assim, uma estratégia ampla catalisará simultaneamente descobertas incrementais e de alto risco que poderão identificar novas maneiras de prever eventos e danos irreversíveis ou melhorar a capacidade reparativa do sistema cardiovascular.

O objetivo desse projeto é ampliar os projetos de ensino, gestão ambiental e sustentabilidade do Instituto de Fisica da USP. Esse objetivo será atingido sobre três colunas: (1) melhorar a reciclagem de lixo e o aproveitamento de recursos naturais; (2) incentivar a utilização de meios de transporte alternativos; e fi- nalmente (3) ampliar a formação dos nossos alunos em temas sustentáveis. Nesse projeto pretendemos ainda divulgar a POLÍTICA NACIONAL DE RESÍDUOS SÓLIDOS que determina: REDUZIR, REUTILIZAR, RECICLAR.

(PRO-Equipamento CAPES, Edital 24/2012) Atualmente no Departamento de Física Geral do IFUSP três grupos desenvolvem pesquisas com motivação biológica, envolvendo células vivas, polímeros biológicos, fluidos complexos e estruturas biológicas amorfas. Embora as técnicas e os objetos de interesse sejam bem distintos, os três grupos preparam, manipulam e analisam amostras biológicas, tanto para pesquisa quanto para formação de recursos humanos. O objetivo principal dessa proposta é simplificar e reduzir os custos de montagem e manutenção de vários procedimentos experimentais. Para tanto, iremos montar uma sala compartilhada de preparação de amostras bioquímica. Isso beneficiara diretamente 31 alunos de pós-graduação alem de 5 pós docs. Indiretamente, via os colaboradores de cada um dos membros participantes desse projeto, o número é bem maior.

O departamento de Física Geral (DFGE) do Instituto de Física da USP (IFUSP) conta com sete grupos independentes interessados na interface entre Física e Biologia (são eles: Grupos de Micro Reologia e Fisiologia Molecular, Biofísica, Física Estatística, Física Molecular e Modelagem, Fenômenos Não Lineares, Óptica e Sistemas Amorfos e Microscopia Eletrônica). Esses grupos estão unidos neste Projeto para propor uma reestruturação e modernização do espaço físico e da infraestrutura, do DFGE. Essa modernização será feita sobre três pilares: (1) redistribuição e melhoramento do espaço físico; (2) melhoramento da rede elétrica, comunicação e segurança do trabalho; (3) modernização da oficina mecânica de apoio à pesquisa. Vale ressaltar que a maioria dos itens pleiteados nesse projeto não são regularmente financiáveis por órgãos de fomentos à pesquisa, como a FAPESP, CNPq e CAPES, e irão beneficiar diretamente dezesseis (16) dos vinte e oito (28, incluindo professores aposentados, colaboradores) docentes do DFGE, e mais de oitenta (80) alunos de pós- graduação. Outras unidades da USP serão beneficiadas indiretamente, via as colaborações dos grupos que compõem esse projeto, como por exemplo: a Faculdade de Medicina (FMUSP), o Instituto de Ciências Biomédicas (ICB) e a Engenharia Politécnica (EPUSP), via o Grupo de Micro Reologia; o Instituto de Química (IQ), a Faculdade de Ciências Farmacêuticas (FCF) da USP/ São Paulo e os Departamentos de Física e Química da FFCL da USP de Ribeirão Preto, via o Grupo de Biofísica; e também a Odontologia via o Grupo de Óptica. Todos os grupos, direta ou indiretamente beneficiados, têm enfoque interdisciplinar, em especial na fronteira da física com a química e a biologia. Além disso, os grupos de pesquisa já participam de dois Núcleos de Apoio à Pesquisa (NAPs): Núcleo de Apoio à Pesquisa em Fluidos Complexos e também o Núcleo de Pesquisa em Vacinas.

(FAPESP: 2012/21103-0) Um dos problemas fundamentais da mecânica celular pode ser delineado em torno dos mecanismos que são responsáveis pelas propriedades reológicas das células e essas propriedades são determinadas pelo genótipo e fenótipo, além da sua atividade metabólica. Sabe-se que algumas dessas propriedades são governados pela dinâmica entrópica de suas fibras, mas a base física para essa teoria, no contexto de células vivas, permanece pouco clara. Nesse projeto pretende-se entender alguns dos mecanismos que alteram as propriedades reológicas das células comparando os resultados de medidas reológicas utilizando cinco técnicas experimentais com modelos numéricos/matemáticos: (1) difusão de micro e nano esferas na superfície e no interior da célula; (2) citometria óptica de torção magnética; (3) Microscopia de Força de Tração, (4) imagens de fluorescência; e (5) técnicas de espalhamento e difração laser-speckle. Essas técnicas são complementares e capazes de medir propriedades reológicas específicas respectivamente: as propriedades difusivas, a viscoelasticidade, a tensão da célula sobre o substrato, a estrutura física do citoesqueleto, e algumas propriedades ópticas da célula, como flutuações no índice de refração. Utilizando essas técnicas esperamos encontrar as propriedades fenotípicas que se correlacionam com as propriedades reológicas. A determinação dessas propriedades será útil para o desenvolvimento de drogas, prevenção e previsão de alguns problemas cardíacos além de uma contribuição para o entendimento básico da fisiologia celular.

(FAPESP: 2010/06270-1) A intoxicação pulmonar pelo oxigênio já foi extensivamente estudada, mas pesquisas recentes sugerem uma possível influência da intoxicação concomitante do sistema nervoso central (SNC) pelo oxigênio hiperbárico, levando a um quadro de edema pulmonar, como causa da intoxicação pelo O2 hiperbárico nos pulmões. Entretanto, a piora progressiva da intoxicação pulmonar hiperóxica hiperbárica parece coincidir com o desenvolvimento de alterações ao nível da microcirculação pulmonar, das vias aéreas mais distais e da membrana alvéolo-capilar. Por conta disso, levantamos a hipótese de que o efeito tóxico local direto do oxigênio, apesar da intoxicação concomitante do SNC, seria determinante para o aparecimento das lesões pulmonares. Propõe-se com este trabalho, portanto, avaliar os efeitos do oxigênio hiperbárico sobre a mecânica e a estrutura do parênquima pulmonar de ratos em diferentes doses, progressivas, tóxicas e não tóxicas ao parênquima pulmonar numa fase inicial. Numa fase posterior pretende-se expor os animais a uma dose de O2 efetivamente tóxica e avaliar a influência da intoxicação concomitante do SNC, através do bloqueio vagal e das enzimas óxido nítrico sintases (NOS), sobre as variáveis pulmonares estudadas previamente. Espera-se determinar a contribuição do efeito tóxico direto da hiperóxia hiperbárica sobre a mecânica ventilatória e sobre a função de troca gasosa pulmonares, auxiliando assim no emprego correto e seguro do oxigênio a altas concentrações e pressões, como ocorre na prática clínica em UTIs e no emprego da oxigenoterapia hiperbárica.

Neste projeto propomos na USP a constituição do Núcleo de Apoio a Pesquisa em Fluidos Complexos: propriedades físico-químicas, modelagem e aplicações em biologia e medicina (NAP- FCx) com a missão de congregar profissionais das áreas de física (incluindo a biofísica), química (incluindo a bioquímica), biologia, farmácia, medicina, engenharia biomédica, matemática e estatística, em torno de problemas que requeiram um enfoque multidisciplinar envolvendo fluidos complexos para produzir conhecimentos de fronteira, disseminá-los no ambiente acadêmico e divulgá-los à sociedade. Os fluidos complexos são sistemas formados por várias moléculas que se auto-agregam e geram constituintes básicos com diferentes escalas de tamanho, provocando propriedades complexas. (Total de Pesquisadores participantes do projeto: 31 da USP e 35 de outras instituições)

(FAPESP: 2010/18322-9, CNPq: 477373/2011-9) Nosso objetivo principal é entender os processos difusivos em estruturas complexas de interesse biológico usando microesferas comparando com os valores do G(w) obtidos via OMTC. Para tanto, utilizaremos um software desenvolvido pelo nosso laboratório para monitorar a dinâmica de microesferas observadas por uma camera CCD acoplada a um microscopio. Os resultados experimentais serão comparados com um modelo matemático, tipo caminhante aleatório, que irá produzir imagens análogas as observadas pelo microscópio.

( FAPESP: 2011/12120-5) Racional: A apneia obstrutiva do sono (AOS) é um grave problema de saúde pública. Nos casos de ronco primário, AOS leve e moderada não existe um tratamento padrão. Demonstramos recentemente que uma nova terapêutica com exercícios da musculatura orofaríngea (terapia miofuncional orofaríngea) foi capaz de melhorar em 40% a gravidade da AOS moderada (Am.J.Respir.Crit.Care.Med, 2009). No entanto, o tratamento não foi testado em formas mais leves de obstrução de via aérea superior e os mecanismos pelo qual essa nova terapêutica atua não estão esclarecidos. Objetivo: Estudar os efeitos da terapia miofuncional orofaríngea sobre uma série de variáveis clínicas e fisiológicas em pacientes com amplo espectro, incluindo ronco primário, AOS leve e moderada.

(FAPESP: 2011/20225-1) Resumo em Português 	O NAVA (Neurally-Adjusted Ventilatory Assist) é um modo ventilatório assistido que capta a atividade elétrica do diafragma e a utiliza para iniciar e terminar a fase inspiratória, oferecendo assistência inspiratória proporcional ao esforço do paciente, ciclo a ciclo. Estudos em animais e em humanos mostraram que o NAVA reduz o trabalho respiratório e melhora a interação paciente-ventilador em comparação com modos tradicionais. Por ser um modo assistido, sua utilização requer menor sedação. O uso do NAVA poderia contribuir para a redução de complicações da ventilação mecânica prolongada em pacientes com Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA) que são submetidos a ventilação mecânica protetora com baixos volumes correntes e limite de pressão de platô. Entretanto, não há estudos com NAVA na fase aguda da SDRA, na qual são geralmente usados modos assistido-controlados que permitem ajuste do volume corrente e/ou platô de pressão de vias aéreas.

(CNPq: 482548/2009-6) O reconhecimento que a tensão superficial desempenha um papel dominante na mecânica pulmonar foi um dos marcos da fisiologia pulmonar (Weibel, 1984). A tensão superficial acontece em qualquer interface gás-líquido pelo fato das forças entre as moléculas de líquido serem muito mais fortes do que aquelas entre as moléculas do líquido e do gás. Diversos equipamentos podem ser utilizados no estudo e caracterização da funcionalidade dos surfactantes pulmonares endógenos e exógenos, dentre eles destacam-se: a balança de superfície de Wilhelmy, surfactômetro de bolha pulsátil, surfactômetro de capilar e uma modificação da técnica de citometria óptica magnética de oscilação (OMTC). Nesse projeto, pretende-se implementar um novo sistema capaz de realizar a caracterização de surfactantes pulmonares endógenos e exógenos que tem por princípio de funcionamento a análise de uma ponte líquida de surfactante.

(484921/2007-0) Recentemente, um modelo de uma membrana líquida confinada em uma caixa com vapor, baseado no método de Monte Carlo foi desenvolvido para descrever as propriedades críticas de estabilidade da membrana. Embora esse modelo tenha explicado vários fatos experimentais relacionados aos ruídos sonoros gerados durante a reabertura de vias aéreas em pulmões, denominados ruídos de crepitação, a falta de surfactantes na interface líquido vapor torna o modelo ineficiente para descrever certas patologias. Assim, o objetivo desse projeto é o desenvolvimento de uma plataforma teórica usando o método de Monte Carlo para a investigação do efeito de surfactantes nas propriedades mecânicas de membranas líquidas. Essa plataforma teórica terá aplicação imediata em vários problemas de fisiológia básica e médicos. Na fisiologia, básica essa plataforma irá ajudar a entender o efeito do surfactante na abertura de vias aéreas colapsadas e conseqüente emissão de ruídos crepitantes. Na medicina, essa plataforma irá ajudar a compreender o efeito do surfactante pulmonar na tensão superficial interna dos pulmões, e suas implicações na mecânica respiratória, em doenças como pneumonia, Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo e enfisema, dentre outras.

(485230/2007-0) A avaliação da mecânica respiratória é bastante utilizada para avaliar o funcionamento dos pulmões de forma simples e de baixo custo, além de auxiliar no estudo e desenvolvimento de modelos animais de doenças. Apesar das técnicas in vivo serem as mais empregadas na avaliação da mecânica respiratória de pequenos roedores, uma melhor forma de descrever a mecânica respiratória periférica seria o emprego de técnicas in vitro em pulmões isolados. Nesse projeto, pretende-se implementar um equipamento capaz de realizar curvas quasi-estáticas de pressão versus volume em pulmões isolados, monitorando, também, durante a insuflação e a deflação, os sons pulmonares. Pode-se ressaltar que não existe atualmente equipamento comercial capaz de realizar a avaliação in vitro dos comportamentos mecânico e acústico de pulmões isolados de roedores. Esse projeto intenciona não só o desenvolvimento da instrumentação como também a parte teórica de análise e processamento dos dados experimentais obtidos. O sistema que pretendemos desenvolver é inovador para a compreensão de diversos mecanismos e evolução de doenças respiratórias em modelos animais.

O desenvolvimento do Brasil, com o aumento do parque industrial, o crescimento
da frota leve e pesada e a expansão da fronteira produtiva, levou a desafios para
a determinação dos impactos da poluição à saúde humana. De um lado, temos a
introdução de novos combustíveis, cujo potencial de interferir com os níveis de poluição
(para mais ou para menos) ainda não foi determinado. Por outro lado, a expansão das
fontes levou problemas de poluição atmosférica a áreas desprovidas de capacidade de
monitoramento e gestão do risco. A velocidade da transição energética e da expansão das
áreas potencialmente afetadas pela poluição faz surgir a necessidade de que estudos de
risco sejam implementados rapidamente.

A visão global desse projeto é o desenvolvimento de um protocolo teórico e experimental para estudar de forma integrada anomalias no sistema respiratório em múltiplas escalas, do nível de órgão e sistema até o nível microscópico. A parte experimental envolve três grupos de experimentos, em animais em que induzimos a Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA) e controles: (1) no nível macroscópico, ou nível de órgão e sistema, serão efetuados medidas mecânicas de Pressão e Volume (curva P-V), a partir do pulmão colapsado, e gravação simultânea do ruído de crepitação; (2) no nível mesoscópico, analisaremos as propriedades de viscosas e elásticas dos fluidos pulmonares usando um método inovador que é capaz de avaliar as propriedades dinâmicas dos fluidos, a surfactometria óptico-magnética de oscilação; (3) no nível microscópico faremos análises de morfologia histológica e reologia celular usando o método de citologia óptico-magnética de oscilação. A parte teórica envolve três modelos matemáticos a serem desenvolvidos para integrar a parte microscópica com a parte mesoscópica, outro para integrar a parte mesoscópica com a macroscópica, e um terceiro modelo de integração global. Parte dos protocolos experimentais e modelos teóricos já foram validados em situações específicas e de forma isolada, porém nunca foram integrados. 
Essa abordagem integrada terá um impacto direto no entendimento das complexas inter-relações entre estrutura e função no sistema respiratório, em situações normais e na presença de doenças, e não se limita nos resultados obtidos a curto prazo. Como desdobramentos a longo prazo, esse projeto poderá contribuir para o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes para doenças pulmonares de alta morbi-mortalidade.