Nome do Projeto
Reposicionamento de Fármacos e Modelagem Matemática na Investigação da Esporotricose: Abordagens Integradas para Estratégias Terapêuticas e Compreensão da Dinâmica de Transmissão
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
02/10/2023 - 01/09/2027
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Multidisciplinar
Resumo
Este projeto de pesquisa foca em três áreas fundamentais para abordar a esporotricose: epidemiologia molecular, modelagem matemática e reposicionamento de fármacos. A análise genética das espécies de Sporothrix spp. encontradas no Brasil é de suma importância para entender sua filogenia e evolução. Isso proporcionará insights cruciais sobre as características intrínsecas do agente, sua resistência e susceptibilidade a diferentes tratamentos, bem como sua interação com o hospedeiro. O uso de modelos matemáticos permitirá prever e compreender e prever o comportamento da epidemia em escala nacional, assim como suas características regionais determinadas por variáveis sociais, culturais e geográficas. Ainda, o entendimento de padrões de dispersão da esporotricose é essencial para a formulação de medidas de controle e profilaxia mais eficazes. O projeto também se concentra no estudo do reposicionamento de fármacos como resposta à resistência já observada no tratamento da esporotricose, visando identificar terapias alternativas mais acessíveis e seguras para combater a esporotricose, especialmente diante do cenário atual no qual estamos diante da maior epidemia zoonótica no Brasil, que se espalha sem controle para países vizinhos. Uma doença que tem um alto custo social e monetário devido seu longo e oneroso tratamento, no qual a resistência e a falha terapêutica são observadas aos fármacos de eleição. Essa abordagem integrada permitirá uma compreensão mais profunda e completa da esporotricose, abordando aspectos genéticos, epidemiológicos, comportamentais e terapêuticos da doença.

Objetivo Geral

Este projeto de pesquisa visa estudar a esporotricose de forma regional e nacional, analisando a doença em todos os seus aspectos, de forma multidisciplinar. Analisando suas prováveis variações regionais, assim como a epidemiologia molecular permitirá a análise genética das espécies de Sporothrix spp. encontradas no Brasil, esses isolados serão utilizados para investigar a possibilidade de novas terapias com menor custo e mais seguras, através do reposicionamento de fármacos

Justificativa

Nesse momento a esporotricose é uma epidemia sem controle, que atinge todos os estados do Brasil, e se expande para países vizinhos, preocupando a comunidade científica nacional e internacional.
Esse contexto, exige estudos urgentes e abrangentes sobre Sporothrix spp., suas características genotípicas, fatores de virulência, suscetibilidades, possibilidades de novos tratamentos para esporotricose. Não existem estudos multidisciplinares sobre a epidemia de esporotricose. A abordagem proposta é inédita. E, embora fragmentados, os estudos anteriores e observações clínicas, muitos deles desenvolvidos pelo grupo proponente, estabelecem que já ocorre resistência aos antifúngicos de eleição, e sugerem que Sporothrix spp. exibe variações regionais. Esses achados prévios determinam a urgência em estudos de suscetibilidade e novas alternativas terapêuticas, assim como determinam que a epidemia de esporotricose no Brasil iniciou em dois epicentros bem caracterizados: Estado do Rio de Janeiro e o Estado do Rio Grande do Sul, e a partir deles se disseminou para todos os demais estados da Federação e países vizinhos. Acreditamos que fatores relacionados as diferentes espécies de Sporothrix encontradas nessas regiões, suas variações genéticas, possíveis diferenças de suscetibilidade, assim como diferentes características socioculturais e ambientais das regiões podem agir como importantes fatores na resistência do agente, na velocidade de disseminação da epidemia, e serem cruciais para o planejamento e tomada de medidas de prevenção e controle.

Metodologia

. Local de realização do estudo
Os exames micológicos serão realizados no Laboratório do Centro de Diagnóstico e Pesquisa em Micologia Veterinária da Faculdade de Veterinária da Universidade Federal de Pelotas (MICVET/UFPel), os exames moleculares e de cultivo celular serão executados no Laboratório de Biologia Molecular (LBM) do Centro Estadual de Diagnóstico e Pesquisa em Saúde Animal Desidério Finamor (IPVDF) pertencente ao Departamento de Diagnóstico e Pesquisa Agropecuária (DDPA) da Secretaria Estadual da Agricultura, Pecuária, Produção Sustentável e Irrigação (SEAPI) do Governo do Rio Grande do Sul, os modelos matemáticos serão testados e desenvolvidos no Laboratório de Dispersão de Poluentes e Engenharia Nuclear (GDISPEN/IFM/UFPel). Todos os laboratórios envolvidos possuem a infraestrutura e as condições de biossegurança adequadas para o desenvolvimento deste projeto.

6.2 Estudo epidemiológico descritivo
Serão coletadas informações epidemiológicas descritivas relativas aos casos de esporotricose diagnosticados, através das fichas clínicas e protocolos de necropsia pertencentes ao Centro de Diagnóstico e Pesquisa Veterinária (MICVET/FAVET/UFPel), ao Laboratório Regional de Diagnóstico (LRD/FAVET/UFPel), ao IPVDF e ao CEVS. Serão avaliadas as variáveis origem dos casos, sexo, idade, manifestações clínicas, número e padrões de lesões e a associação com as espécies fúngicas do Complexo Sporothrix Schenckii identificadas geneticamente. A normalidade na distribuição dos casos registrados será testada por meio de testes de Shapiro-Wilk. O cálculo da taxa de incidência anual será realizado de forma estratificada, representativo da área de abrangência dos laboratórios que participarão do estudo. Para avaliar a associação entre as variáveis serão aplicados testes de qui-quadrado ou exato de Fisher (o último se ocorrerem menos que cinco observações em pelo menos uma casela na tabela de contingência 2 x 2). O risco nessas associações será estimado por meio da Odds Ratio e seu intervalo de confiança a 95% (IC. 95%), para as variáveis que apresentaram associação significativa (p<0,05) nos testes de Qui-quadrado. Será considerado um valor mínimo de confiança de 95% em todas as análises estatísticas, as quais serão realizadas por meio dos softwares SPSS20.0 e EpiInfo 7.1.5.2.

6.3. Modelagem Matemática na Epidemiologia: Estudo da Esporotricose em Felinos

A modelagem matemática tem sido amplamente utilizada na epidemiologia para compreender a dinâmica de doenças infecciosas, sobre os efeitos dos vários fatores que influenciam a disseminação de epidemias, e auxiliar na elaboração de estratégias de controle e prevenção. Neste estudo, abordaremos a aplicação de modelos matemáticos na epidemiologia da esporotricose em felinos. O objetivo é desenvolver modelos matemáticos que descrevam a dinâmica da evolução temporal da infecção em uma população de felinos e, em seguida, incorporar a dependência espacial para analisar a propagação da doença em uma área específica. Inicialmente, os dados utilizados para o ajuste do modelo serão obtidos do Centro de Diagnóstico e Pesquisa em Micologia Veterinária, Departamento de Veterinária Preventiva, da Universidade Federal de Pelotas, fornecendo uma base, sob a hipótese de que os dados representem na sua forma a incidência da esporotricose na cidade de Pelotas, para a construção e validação dos modelos. Informações sobre o número médio de felinos por residência e a estimativa da população serão obtidas da base de dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).
6.3.1. Modelos Compartimentais Determinísticos
Inicialmente, desenvolveremos modelos compartimentais determinísticos, e variações destes modelos, para descrever a dinâmica da esporotricose em felinos. Esses modelos dividem a população em compartimentos distintos, como suscetíveis, infectados e recuperados. A partir de equações diferenciais ordinárias, como na formulação clássica proposta por Kermack e McKendrick, descreveremos a taxa de variação de cada compartimento em relação ao tempo, considerando as taxas de transmissão, entre outros parâmetros. A população de felinos será dividida em categorias de domiciliados, semi-domiciliados e em situação de rua. Essa categorização é relevante porque os parâmetros envolvidos podem variar substancialmente entre as categorias. Serão feitas análises de pontos de equilíbrio, de estabilidade assintótica e instabilidade do sistema equações diferenciais proposto, para o caso do método compartimental clássico. Utilizaremos dados demográficos, comportamentais e epidemiológicos disponíveis para estimar os parâmetros do modelo, incluindo o coeficiente de transmissão e a taxa de contato entre dois felinos. A taxa de contato deve considerar algunas relações complexas do comportamento dos felinos e depende fortemente da densidade populacional e, sua relação com a distância média percorrida, desempenhará um papel importante na determinação do coeficiente de disseminação espacial da doença. Além do descrito, o número básico de reprodução (R0), que indica o número médio de novos casos gerados por um único caso infeccioso em uma população suscetível, será determinado. A metodologia proposta para a obtenção de R0 será através da matriz próxima geração - o maior autovalor da matriz próxima geração, denotado como o valor próprio dominante, é igual a R0 (Diekmann et al. 1990).
6.3.2. Modelos Compartimentais Estocásticos
A partir da construção dos modelos determinísticos, para levar em conta a incerteza e a variabilidade inerentes aos processos de disseminação, empregaremos modelos compartimentais estocásticos. Nessa abordagem, as transições entre compartimentos serão tratadas como eventos estocásticos, avaliando quais as funções densidade de probabilidade (PDF) serão mais adequadas para representar o processo estocástico envolvido. Nesta abordagem estocástica, serão feitas análises da variabilidade estatística dos resultados obtidos.

6.3.3. Modelos Compartimentais com Dependência Espacial
Como passo seguinte, o modelo compartimental, e suas variações adotadas nos itens anteriores, será expandido por uma abordagem de difusão espacial da esporotricose através do acréscimo de um termo laplaciano na forma da Lei de Fick. Esse incremento na formulação do problema torna sua solução mais complexa por acrescer ao sistema de equações diferenciais original, só dependente da variável tempo, a dependência espacial. Mas trará como vantagem a observação da velocidade de propagação espacial da doença a partir da introdução de um indivíduo infectado na região considerada. Outro ponto dentro dessa formulação é o de determinar o coeficiente de difusão que dependerá da distância média percorrida pelo felino que, por sua vez, dependerá da densidade populacional felina e suas interações comportamentais. Num primeiro momento adotaremos o algorítmo estocástico de Gillesp para implementação desse modelo.

6.3.4. Modelo de Monte Carlo
Em contextos epidemiológicos, é importante modelar a propagação de doenças em uma população espacialmente distribuída. O uso do método de Monte Carlo pode simular cenários distintos, tratando cada indivíduo e suas interações de forma separada. Cada iteração dentro da simulação leva em conta distribuições de densidade de probabilidade de cada evento ocorrer. No contexto específico da esporotricose em felinos, a propagação da doença será tratada primeiramente fazendo uma distribuição geográfica de cada felino em uma região, determinando sua localização específica, e a partir da introdução de um indivíduo infectado, em um determinado ponto da região considerada, será simulada como as interações entre os felinos emula o espalhamento da esporotricose. Com isto geraremos amostras aleatórias, a partir de funções distribuições de probabilidade, e essas amostras representarão cenários possíveis. Nesta sequência está implicada a definição das funções densidade de probabilidade mais adequada, determinar um raio de proximidade entre dois felinos dentro do qual o contato tenha a probabilidade de ocorrer. Esse tipo de abordagem permite tratar inúmeros eventos de forma independente e inferir como os resultados se disbribuem no tempo e no espaço. Utilizaremos diferentes metodologias para compreender a dinâmica da esporotricose em felinos. Os modelos compartimentais, determinísticos e estocásticos, permitirão explorar diferentes cenários e incorporar a incerteza inerente ao processo de disseminação da doença. Além disso, o método de Monte Carlo permitirá simular a propagação da doença em uma população espacialmente distribuída, levando em conta a dependência espacial. A combinação dessas metodologias proporcionará uma abordagem abrangente para o estudo da esporotricose em felinos e contribuirá para o entendimento do estágio atual da doença e o desenvolvimento de estratégias eficazes de controle e prevenção.


6.4. Epidemiologia molecular

6.4.1. Isolados

Serão utilizados isolados de Sporothrix sp. armazenados na micoteca do Centro de Diagnóstico e Pesquisa em Micologia Veterinária da Universidade Federal de Pelotas, provenientes de casos de esporotricose em felinos, caninos e humanos naturalmente infectados de diversos municípios do estado do Rio Grande do Sul, cultivados em duplicata em ágar Mycosel® (Difco Laboratórios, Detroit, Michigan) e ágar Sabouraud dextrose (Difco Laboratórios, Detroit, Michigan) incubados em temperaturas de 25ºC e 37ºC. Posteriormente à identificação fenotípica como Sporothrix sp. os isolados são repicados em PDA® (ágar potato dextrose- Difco Laboratorios, Detroit, Michigan) e mantidos na micoteca em temperatura ambiente. Esses isolados estocados na micoteca serão repicados em meio ágar Sabouraud dextrose e posteriormente será realizada a extração do DNA para identificação molecular das espécies.


6.4.2. Caracterização molecular

O DNA genômico dos isolados de Sporothix spp. será extraído através técnica adaptada in house utilizando Breaking buffer (2% Triton X10

Indicadores, Metas e Resultados

Resultados Esperados:
⮚ Mapeamento detalhado da epidemiologia da esporotricose, de forma regional e nacional, o que possibilitará uma abordagem específica por regiões do país, considerando suas diferenças sociais e culturais.
⮚ A doença será analisada matematicamente em suas áreas de maior prevalência, e em zonas não endêmicas. Será realizado pela primeira vez um estudo matemático da evolução e da prospecção da epidemia de esporotricose no país.
⮚ Caracterização das espécies genéticas de Sporothrix spp. associadas aos casos de esporotricose em várias regiões, por meio da análise metagenômica, fornecendo informações sobre a diversidade genética do fungo e suas relações de transmissão. Atualizando informações importantes, uma vez que os estudos moleculares até o momento desenvolvidos utilizam isolados da região Sul com mais de uma década, podendo não refletir mais o painel atual.
⮚ Avaliação da sensibilidade antifúngica e identificação de novos fármacos com potencial atividade antifúngica contra Sporothrix spp. pelo estudo de reposicionamento de fármacos, possibilitando o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes, mais rápida e custo-efetiva do que o desenvolvimento de novos medicamentos.
⮚ Previsões da evolução da epidemia através da modelagem matemática, com identificação de grupos de risco e eficácia de intervenções propostas, permitindo a formulação de estratégias de prevenção e controle mais efetivas.
⮚ Elucidação de aspectos da patogênese e mecanismos de virulência do Sporothrix spp. por meio dos experimentos in vitro com cultura de células, fornecendo insights para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas, diminuindo custos e favorecendo a velocidade dos estudos.

Impactos Esperados:
⮚ Contribuição efetiva para o controle da epidemia de esporotricose no Brasil, com a implementação de estratégias de prevenção e controle embasadas nos resultados dos estudos epidemiológicos, de modelagem matemática.
⮚ Avanço do conhecimento científico sobre a epidemiologia e a resistência de Sporothrix spp., possibilitando futuras pesquisas na área de micologia médica.
⮚ Melhoria dos tratamentos disponíveis para a esporotricose, resultando em melhores resultados clínicos e redução da resistência aos medicamentos, graças à identificação de novos fármacos com atividade antifúngica, contribuindo para o conhecimento global sobre terapias para a esporotricose, e abrindo caminho para outras doenças fúngicas.
⮚ Subsídios para a formulação de políticas públicas de saúde, impactando positivamente a saúde pública na região e em outras áreas afetadas, com base nos dados e recomendações embasadas dos estudos realizados. Os resultados encontrados servirão de base para a implementação de planos de ação do Governo do Estado do Rio Grande do Sul, através das Secretarias envolvidas.
⮚ Redução do impacto social e econômico da epidemia, devido à implementação de estratégias mais efetivas de controle e tratamento.
⮚ Elaboração e submissão de manuscritos em periódicos científicos indexados, sobre os estudos realizados, em todas as áreas científicas envolvidas.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ALESSANDRA DA SILVA OFREDI DE ALMEIDA
ANA RAQUEL MANO MEINERZ1
ANDRESSA QUEVEDO DE BRITTO
ANGELITA DOS REIS GOMES10
CRISTIANO SILVA DA ROSA1
Carolina Schell Franceschina
DANIELA BUSKE1
FLAVIO SILVEIRA
GABRIELA LADEIRA SANZO
GIULIA BATISTA DE FREITAS
GLENIO AGUIAR GONCALVES2
Giovana Dantas de Araujo
ISADORA DUARTE PEREIRA
JULIANA TASENDE FERRANDO
LINDA ROMERO GAMA
LUCIANA ROSSATO PIOVESAN1
Leonardo Ferreira dos Santos
MARIO CARLOS ARAUJO MEIRELES1
MARLETE BRUM CLEFF1
MILENA RODRIGUES OLIVEIRA
Maria da Graça Da Rosa Farias
OTÁVIA DE ALMEIDA MARTINS2
RENATA OSORIO DE FARIA2
RICARDO IMBERT ROMAN MACEDO ANAZARIO
TÁBATA PEREIRA DIAS

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