Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Impacte da qualidade do ar urbana na saúde pública: o caso da cidade do Porto

O benzeno foi o primeiro poluente atmosférico carcinogénico a ser regulamentado a nível europeu. Vários trabalhos têm sido publicados demonstrando a relação deste poluente com diversos tipos de neoplasias nomeadamente decorrentes de exposições a nível ocupacional. Porém, o estudo deste poluente para concentrações atmosféricas em ambientes exteriores ainda é pouco conhecido e está em clara evolução. Neste sentido, este trabalho pretende ser um contributo para o conhecimento da relação entre o benzeno atmosférico e a incidência de patologias que afectam os tecidos linfáticos e órgãos hematopoiéticos nomeadamente linfomas de Hodgkin, linfomas de não-Hodgkin e leucemias na população residente na Área Metropolitana do Porto. Dado a quase ausência de dados de monitorização das concentrações de benzeno atmosférico actualmente em Portugal, estas foram estimadas com base na definição de uma relação entre o benzeno e o monóxido de carbono. O conhecimento das concentrações em todo o domínio de estudo baseou-se na análise dos dados da Rede Automática de Monitorização da Qualidade do Ar porém, de modo a aumentar o detalhe espacial e temporal recorreu-se à modelação atmosférica aplicando o modelo TAPM. Para perceber a evolução temporal das concentrações, a modelação foi efectuada para os anos de 1991, 2001 e 2006 com base no ano meteorológico de 2006 e emissões para os respectivos anos ao nível da freguesia. O modelo foi previamente validado de acordo com uma metodologia proposta para este tipo de modelos. Contudo, mais do que perceber qual a variação da qualidade do ar a nível exterior, é importante conhecer o impacte de fontes interiores e o seu efeito na população. Assim, desenvolveu-se um modelo de exposição e dose que permitem conhecer os valores médios populacionais. A modelação da exposição populacional é efectuada com base nos perfis de actividade-tempo, nos movimentos pendulares inter-concelhos e nas concentrações de benzeno em ambientes exteriores e interiores. Na modelação da dose é ainda possível variações por sexo e idade. Por outro lado, para o estudo das patologias em análise efectuou-se uma análise epidemiológica espacial nomeadamente no que respeita à elaboração de mapas de incidência padronizados pela idade, e estudo da associação com a exposição ao benzeno atmosférico. Os resultados indicam associação entre o benzeno e as doenças em estudo. Esta evidência é mais notória quando a análise é realizada junto às principais fontes de emissão deste poluente, vias de tráfego e postos de abastecimento de combustível. Porém, a ausência de informação limita o estudo não permitindo o controlo de potenciais variáveis de confundimento como a exposição ao fumo do tabaco. A metodologia permite efectuar uma gestão integrada da qualidade do ar exterior e interior, funcionando como uma ferramenta do apoio à decisão para elaboração de planos de prevenção de longo prazo de potenciais efeitos na saúde das populações nomeadamente para outro tipo de patologias.

Estudo epidemiológico sobre a saúde de estudantes universitários

Os factores de risco nos adultos jovens são fortes preditores da incidência de doença cardiovascular e mortalidade na idade mais avançada. Em Portugal, desconhecem-se estudos que avaliem os factores de risco para as doenças crónicas, em jovens adultos, na transição do ensino secundário para o universitário. Este estudo pretendeu contribuir para a promoção do conhecimento dos determinantes sócioculturais e ambientais no diagnóstico e detecção de factores de risco para as doenças crónicas, nomeadamente as doenças cardiovasculares, em estudantes universitários. Teve como objectivo principal a investigação do efeito da vida académica nos factores de risco modificáveis, estilos de vida e determinantes da saúde. Teve como objectivos específicos identificar a(s) prevalência(s) dos factores de risco cardiovascular numa população universitária, a identificação dos intervalos de referência para a homocisteína total no soro de adultos jovens portugueses, a determinação do perfil lípidico, comportamentos de saúde e dieta alimentar de tipo mediterrânico entre os estudantes universitários de acordo com o género e a área científica de frequência e a avaliação longitudinal do impacto da exposição à vida académica no estado de saúde dos estudantes universitários Participaram no estudo 781 estudantes sendo a média de idades de 20,6. Os factores de risco estudados para as doenças crónicas, foram o hábito tabágico, a pressão arterial, o índice de massa corporal, a composição do sangue (lípidos, homocisteina e glicose), a alimentação e a actividade física. O estudo mostra que a prevalência de: sedentarismo é significativamente mais elevada nos rapazes (p<0,001); dislipidemia e a hipertrigliceridemia é significativamente mais elevada nas raparigas. Mais de um quarto dos estudantes tem colesterol elevado sendo a hipercolesterolemia significativamente mais elevada nas raparigas (p<0,001); a hipertensão verificou-se em ambos os sexos (6,0%) mas foi significativamente mais elevada nos rapazes (p=0,001). O estudo identificou o intervalo de referência para a homocisteína em adultos jovens portugueses independentemente do sexo (6,2 a 11,6 μmol/) sendo que, acima de 11,6 μmol/l é condição para vigilância médica em populações jovens adultas. Quando se estudou a exposição à vida académica comparada com aqueles que acabaram de entrar na universidade, verificou-se uma associação significativa no que respeita às concentrações de lípidos no sangue, à pressão arterial sistólica e à actividade física, tendo sido as raparigas aquelas que mais se afastavam dos padrões saudáveis (p<0,001). No que respeita à adesão à dieta mediterranica, não foram encontradas associações entre este tipo de alimentação e os vários factores de risco independentemente do género. Os resultados forneceram, evidências empíricas acerca da importância da detecção dos principais factores de risco na idade adulta (jovem) na prevenção das doenças cardiovasculares e vieram corroborar as orientações do Plano de Desenvolvimento Estratégico do Instituto Nacional de Saúde Português para as doenças crónicas, nomeadamente o estabelecimento de valores de referência nacionais para análises biológicas e as orientações do Plano de Acção Estratégica Global para a Prevenção e Controle das Doenças Não-Transmissíveis-2008/2013 da Organização Mundial de Saúde.

Indoor air quality in elementary schools of Lisbon and Aveiro

Tem havido uma preocupação crescente com a qualidade do ar interior (QAI) nas escolas em muitos países. Muitos estudos epidemiológicos têm encontrado diferenças regionais entre ambientes interiores. Apesar da elevada incidência de asma e rinite na população infantil, praticamente nada se sabia sobre a QAI em escolas portuguesas. A percepção dos problemas de QAI é crucial para avaliar os riscos para a saúde e rendimento dos estudantes, e para sugerir meios de reduzir a exposição a poluentes indesejáveis. Neste estudo procurou-se obter as concentrações de poluentes de interesse em estabelecimentos de ensino do 1º ciclo de Lisboa e Aveiro, estimar o estado atual de casos de asma e rinite em escolas primárias da capital, avaliar a influência de diferentes materiais das salas de aula/construção e hábitos escolares na QAI, identificar potenciais fontes de poluentes nos interiores e exteriores das salas de aula e propor medidas mitigadoras. Catorze escolas de Lisboa foram visitadas para obter a caracterização física das construções em termos de estrutura, ventilação, materiais de acabamento, produtos de limpeza, densidade de ocupação e potenciais fontes interiores de poluição. Os estudantes foram questionados sobre os seus hábitos e sintomas respiratórios através de inquéritos do modelo ISAAC (International Study of Asthma and Allergies in Childhood). Durante a primavera, outono e inverno (2008-2010), nas salas de aula e pátios, foram monitorizados, por amostragem passiva, compostos orgânicos voláteis (COVs), carbonilos e dióxido de azoto (NO2). Foram também medidos parâmetros de conforto e níveis de microrganismos. Duas escolas localizadas, uma no centro da cidade e outra na região suburbana, em Aveiro foram estudadas em 2010. Parâmetros de conforto, microrganismos, COVs, NO2, material particulado (PM10) foram medidos no interior e no exterior de ambas escolas. Os iões solúveis, carbono orgânico e elementar (OC e EC), e compostos orgânicos presentes no material particulado foram subsequentemente analisados em laboratório. Uma medida mitigadora - fitoremediação - foi avaliada na escola do centro da cidade de Aveiro em 2011. Os resultados do estudo mostraram que a QAI é pior do que a do ar exterior. Em geral, os níveis de CO2 e dos bioaerosóis excederam os níveis máximos aceitáveis para o conforto dos ocupantes estipulado pelas regulamentações portuguesas. Quase todos os COVs e carbonilos identificados mostraram razões interior/exterior (I/E) maiores que uma unidade, o que demonstra a importante contribuição de fontes interiores em todas as escolas. As razões I/E das concentrações de NO2 nunca excederam a unidade. Os níveis interiores diários de PM10 foram sempre maiores que os exteriores, exceto nos fins de semana. Após a colocação de plantas numa das salas de aula, observou-se uma redução estatisticamente significativa nos níveis de CO2, COVs, carbonilos, PM10, OC, e dos iões nitrato, sulfato, amónia, cálcio e carbonato. A possível redução dos níveis de poluentes no interior após a colocação de plantas pode representar uma solução de baixo custo para reduzir a exposição a muitos compostos, melhorar o rendimento e aumentar o bem estar dos alunos e professores em sala de aula.

Exposure modelling to traffic-related air toxic pollutants

Atualmente, a poluição atmosférica constitui uma das principais causas ambientais de mortalidade. Cerca de 30% da população europeia residente em áreas urbanas encontra-se exposta a níveis de poluição atmosférica superiores aos valores- limite de qualidade do ar legislados para proteção da saúde humana, representando o tráfego rodoviário uma das principais fontes de poluição urbana. Além dos poluentes tradicionais avaliados em áreas urbanas, os poluentes classificados como perigosos para a saúde (Hazard Air Pollutants - HAPs) têm particular relevância devido aos seus conhecidos efeitos tóxicos e cancerígenos. Neste sentido, a avaliação da exposição tornase primordial para a determinação da relação entre a poluição atmosférica urbana e efeitos na saúde. O presente estudo tem como principal objetivo o desenvolvimento e implementação de uma metodologia para avaliação da exposição individual à poluição atmosférica urbana relacionada com o tráfego rodoviário. De modo a atingir este objetivo, foram identificados os parâmetros relevantes para a quantificação de exposição e analisados os atuais e futuros potenciais impactos na saúde associados com a exposição à poluição urbana. Neste âmbito, o modelo ExPOSITION (EXPOSure model to traffIc-relaTed aIr pOllutioN) foi desenvolvido baseado numa abordagem inovadora que envolve a análise da trajetória dos indivíduos recolhidas por telemóveis com tecnologia GPS e processadas através da abordagem de data mining e análise geoespacial. O modelo ExPOSITION considera também uma abordagem probabilística para caracterizar a variabilidade dos parâmetros microambientais e a sua contribuição para exposição individual. Adicionalmente, de forma a atingir os objetivos do estudo foi desenvolvido um novo módulo de cálculo de emissões de HAPs provenientes do transporte rodoviário. Neste estudo, um sistema de modelação, incluindo os modelos de transporteemissões- dispersão-exposição, foi aplicado na área urbana de Leiria para quantificação de exposição individual a PM2.5 e benzeno. Os resultados de modelação foram validados com base em medições obtidas por monitorização pessoal e monitorização biológica verificando-se uma boa concordância entre os resultados do modelo e dados de medições. A metodologia desenvolvida e implementada no âmbito deste trabalho permite analisar e estimar a magnitude, frequência e inter e intra-variabilidade dos níveis de exposição individual, bem como a contribuição de diferentes microambientes, considerando claramente a sequência de eventos de exposição e relação fonte-recetor, que é fundamental para avaliação dos efeitos na saúde e estudos epidemiológicos. O presente trabalho contribui para uma melhor compreensão da exposição individual em áreas urbanas, proporcionando novas perspetivas sobre a exposição individual, essenciais na seleção de estratégias de redução da exposição à poluição atmosférica urbana, e consequentes efeitos na saúde.

Sinalização celular e a resposta a estrogénios do epitélio mamário

Estrogens, such as 17β-estradiol (E2) are essential for normal growth and differentiation of the mammary gland. There are two estrogen receptors (ERs), ERα and ERβ which are ligand activated transcription factors. ERα stimulates proliferation and is the single most powerful predictor of breast cancer prognosis and since 70% of breast cancers express ERα, strategies to block this receptor are the primary breast cancer treatment. Unlike ERα, the role of ERβ in breast cancer and its potential as alternative therapeutic target remains controversial, mainly due to the lack of correlation between results obtained in vitro and epidemiological studies. The aim of this thesis was to increase our understanding of the molecular and cellular mechanisms of estrogen signaling in normal and cancerous cells, in different cellular contexts and with focus on ERβ. In Paper I we characterized the effect of the flavone PD098059 - which is a commonly used MEK1 inhibitor - on activation of transcription by ERα and ERβ. We found that the estrogenic effect of PD098059 is dose dependent in concentrations ranging from 1 – 10 μM and that activation of transcription by ER is suppressed by the inhibitory effect of PD98059 on MEK1 at concentrations above 50 μM. In agreement with its flavone nature, PD098059 had a much stronger effect on ERβ than on ERα transcriptional activity. Therefore, use of this compound for the study of signalling events in cells expressing ER should be carefully considered. In Paper II we assessed the effect of ERβ agonists in vivo and administered under different conditions in vitro. In basal conditions, ERβ induced apoptosis; however, in vivo ERβ agonists stimulated proliferation and inhibited apoptosis. In vivo effects were reproduced in culture, by activation of MAPK/ERK½ pathway with epidermal growth factor or basement membrane extract. In addition, insulin signalling and PI3-K/AKT activation was necessary for stimulation of proliferation. These results suggest that the cellular context modulates ERβ activity. Manuscript presents preliminary work aimed at the set-up of a methodological strategy to isolate ERs and to identify interacting proteins in different cellular contexts and which could modulate the bi-phased effects of ERβ in cell growth. In conclusion, the studies presented in this thesis contribute to clarify the apparent contradictory information regarding ERβ function in normal and cancerous mammary epithelium and suggest that the cellular context should be considered when ERβ effects are studied.

Avaliação do perfil de cuidado de enfermagem geriátrico em hospitais de Portugal

A transição demográfica e epidemiológica da população portuguesa tem e terá um enorme impacto na utilização dos recursos de saúde. Atualmente, as pessoas idosas representam um dos grupos etários com taxas de internamento hospitalar mais significativos. Contudo, os dados sobre a hospitalização destas pessoas têm demonstrado resultados de saúde negativos, nomeadamente, o declínio funcional e cognitivo e o risco elevado de eventos adversos. Os/as enfermeiros/as têm um papel crucial na mudança desta realidade. Deste modo, a associação entre o contexto no qual decorre o cuidado de enfermagem geriátrica e os resultados deste cuidado relativos a/os utentes, enfermeiros/as e organizações têm sido proficuamente documentados. Algumas estratégias para promover a qualidade do cuidado geriátrico e a segurança das pessoas idosas hospitalizadas consistem em avaliar e (re)criar o ambiente de trabalho geriátrico dos/as enfermeiros/as (AGTE) e capacitar e treinar estes/as profissionais no cuidado à pessoa idosa. Embora, internacionalmente, os dados demonstrem a associação entre as características de hospitais e/ou enfermeiros/as e o AGTE, não existem estudos em Portugal nesta área, bem como sobre o conhecimento e as atitudes destes profissionais no contexto hospitalar. Por conseguinte, este estudo teve como objetivos: 1) traduzir, adaptar culturalmente e validar as escalas que compõem o questionário Geriatric Institucional Assessment Proflie (GIAP) para a população portuguesa; 2) analisar o AGTE (fatores intrínsecos e extrínsecos) que apoiam ou dificultam a adoção das melhores práticas geriátricas em hospitais portugueses; 3) analisar as atitudes e conhecimento de enfermeiros/as acerca de quatro síndromes geriátricas (úlceras de pressão, distúrbio do sono, contenção física e incontinência), destacando as boas práticas e os problemas encontrados nos hospitais portugueses; 4) analisar a relação entre as variáveis demográficas, profissionais e as características dos hospitais e as escalas que compõem o GIAP – versão portuguesa; 5) conhecer as perceções de enfermeiros/as acerca do cuidado às pessoas idosas hospitalizadas e dos obstáculos enfrentados para desenvolver um cuidado de boa qualidade; e 6) analisar a relação entre a perceção de enfermeiros/as sobre o AGTE e o conhecimento e atitudes geriátricas destes profissionais em função da região e unidade de internamento. Este estudo foi desenvolvido com base num método quantitativo do tipo exploratório-descritivo, transversal, prospetivo e correlacional. A amostra foi constituída por 1.068 enfermeiros/as de cinco hospitais da região norte e centro do país. A recolha de dados foi desenvolvida através de autopreenchimento do GIAP – versão portuguesa. De entre os principais resultados destacam-se: 1) a obtenção de um instrumento válido e fiável para avaliar o AGTE e conhecimentos e atitudes geriátricas; 2) a perceção de enfermeiros/as sobre o cuidado às pessoas idosas como sendo predominantemente negativa; 3) a perceção de enfermeiros/as sobre o apoio insuficiente dos líderes hospitalares para promover um AGTE favorável; 4) o cuidado a pessoas idosas com comportamentos inadequados e o uso de recursos geriátricos como os principais fatores que influenciam a eficácia e a qualidade do cuidado geriátrico; 5) a lacuna de conhecimento e atitudes negativas de enfermeiros/as acerca das quatro síndromes geriátricas; 6) a conceptualização de um modelo sobre a associação das características de enfermeiros/as, dos hospitais do estudo e das perceções destes/as profissionais sobre o cuidado geriátrico com o AGTE e o conhecimento e atitudes geriátricos; 7) a falta de apoio familiar, a descontinuidade e a escassez de tempo para o cuidado como principais obstáculos no cuidado à pessoa idosa hospitalizada; e 8) o perfil de cuidado geriátrico nos hospitais da região norte e centro de Portugal como tendencialmente homogéneo. Os resultados deste estudo sustentam a necessidade de um maior investimento dos decisores políticos, administradores hospitalares e docentes de Enfermagem na capacitação dos/as enfermeiros/as para o cuidado geriátrico e na promoção de um AGTE mais favorável. Também oferece recomendações significativas nos domínios da decisão política, da gestão institucional e da prática profissional que devem ser alvo de uma discussão alargada entre os vários agentes com responsabilidade nestes domínios. Espera-se que este estudo possa contribuir para a promoção de um contexto favorável ao desenvolvimento de um cuidado de enfermagem geriátrica de boa qualidade às pessoas hospitalizadas.