Cádmio
Devido à sua elevada toxicidade e fortes propriedades cumulativas no organismo e no ambiente, o cádmio tem sido identificado como um dos elementos mais tóxicos. É um poluente químico típico dos países desenvolvidos. A população fica exposta a este elemento através de comida contaminada, água não filtrada e fumo de tabaco. A sua toxicidade está relacionada com a forma como este elemento influencia os sistemas celulares enzimáticos, pois substitui outros iões como o zinco, o cobre e o cálcio nas metaloenzimas e tem elevada afinidade para as
30 estruturas biológicas que contêm grupos –SH (proteínas, enzimas e ácidos nucleicos). Uma exposição agravada a este elemento pode promover danos sobretudo ao nível dos rins e do esqueleto. As consequências mais graves incluem osteoporose e osteomalácia e uma maior prevalência de fraturas. A doença de Itai-Itai foi registada pela primeira vez no Japão, em 1986, e é caracterizada por danos severos nos rins e nos ossos, com sintomas agravados de osteoporose e osteomalácia. Deveu-se a uma contaminação severa com cádmio, da população de uma dada região, através da utilização de água, contaminada por desperdícios de minas, para irrigação de campos de arroz. Este elemento pode afetar a saúde óssea de forma direta atuando ao nível das células ósseas, ou de forma indireta atuando ao nível dos rins e do trato gastrointestinal. Os resultados de estudos recentes mostram que níveis de 400 ng/g de cádmio na dieta reduzem significativamente a produção de vitamina D, que é essencial para o desenvolvimento ósseo. Consumos dietéticos de apenas 250 ng/g diminuem a massa e a força ósseas, sugerindo que por mais baixas que sejam as concentrações de cádmio este elemento tem sempre efeitos negativos ao nível do sistema ósseo [116, 117, 118].
Chumbo
Ocorre no organismo na forma de ião divalente e pode substituir o ião Ca2+ em processos biológicos tais como formação de tecido ósseo. Este elemento pode inclusivamente substituir o cálcio na matriz da hidroxiapatite e tem maior afinidade para a osteocalcina do que o cálcio. O tecido ósseo retém cerca de 95% do total do chumbo no organismo (meia-vida de aproximadamente 27 anos), mas contrariamente ao estrôncio e ao flúor, este elemento não tem efeitos benéficos para a saúde a baixas concentrações e é tóxico para concentrações moderadas a elevadas. Tem efeitos tóxicos no sistema nervoso central e periférico e tem vários efeitos negativos ao nível da formação óssea. Nomeadamente, a incorporação de chumbo no osso altera o metabolismo dos osteoclastos e dos osteoblastos, diminui a produção de células estaminais dos osteoblastos, perturba a homeostasia do cálcio, limita os fatores de crescimento essenciais e altera o processo de remodelação e a sinalização da maturação óssea [118, 119, 120].
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Bases Físicas das Técnicas
Aplicadas para Análise
Elementar do Osso
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Estudos da composição elementar do osso
A aplicação da radiação ao estudo de amostras ósseas data de 1930, com a aplicação de raios-X à análise de ossos e dentes para estudo da componente inorgânica e da estrutura cristalina [121]. O desenvolvimento dos aceleradores de partículas, e posteriormente, na década de 60, o aparecimento dos primeiros detetores de Si(Li) com uma resolução em energia de cerca de 150 eV, despoletou o interesse na aplicação de técnicas de feixe de iões a várias áreas como geologia, arqueologia, biologia, entre outros. O primeiro estudo publicado sobre a análise elementar de amostras ósseas data de 1960, com a aplicação de processos histoquímicos para análise de zinco em locais de calcificação [122]. Até à década de 80 a maioria dos estudos da composição elementar do osso eram de facto feitos com recurso a análises químicas, baseadas em métodos destrutivos, em que a informação acerca da distribuição espacial dos elementos dentro dos tecidos era normalmente perdida. Com o interesse crescente na composição elementar do osso e no estudo de doenças ósseas, várias têm sido as técnicas analíticas aplicadas à análise de ossos, nomeadamente análise por ativação neutrónica (NAA) [4, 5, 6], fluorescência de raios-X com radiação de sincrotrão (SRXRF) [7, 8, 9], emissão de raios-X induzida por partículas carregadas (PIXE) [10-14], µ-PIXE [15, 16], emissão de radiação gama induzida por partículas carregadas (PIGE) [17, 18], entre outras. Especial interesse tem sido demonstrado no estudo da razão Ca/P, e os resultados da aplicação destas técnicas sugerem que os valores da razão Ca/P estão possivelmente relacionados com a perda de massa óssea induzida e que pode influenciar a qualidade do osso. Os resultados publicados sugerem também que a razão Ca/P não é dependente do género e da idade [96, 123]. Para além da razão Ca/P, os elementos traço essenciais e os potencialmente tóxicos ou tóxicos, também são importantes indicadores da saúde óssea. As técnicas de análise atuais permitem um estudo da concentração dos elementos dentro do tecido ósseo e da forma como estes elementos se distribuem dentro do osso. De seguida serão abordados alguns aspetos teóricos associados a cada uma das técnicas aplicadas na análise das amostras ósseas neste trabalho, PIXE, PIGE e µ-XRF, e que são fundamentais na análise dos resultados e no estabelecimento de condições mais apropriadas para uma análise mais eficiente das amostras ósseas e para poder retirar a máxima informação acerca dos elementos maioritários e dos elementos traço.
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1. PIXE - Emissão de Raios-X Induzida por Partículas
Carregadas
A técnica de PIXE assenta no princípio físico de produção e emissão de raios-X quando um elemento é bombardeado com partículas carregadas. Embora o acrónimo considere que a produção de raios-X se deve a quaisquer partículas carregadas, a verdade é que o projétil mais utilizado é o protão. Isto deve-se ao facto de a secção eficaz para a produção de raios-X ser maior para protões do que para qualquer outra partícula mais pesada e, por outro lado, os parâmetros físicos relativos a protões serem melhor conhecidos [124]. Esta técnica permite a identificação e quantificação de elementos com número atómico superior a 11 com limite de deteção na ordem dos µg/g (ppm) no caso de filmes finos e precisão absoluta de 5 a 30% [125]. Apresenta como vantagem a simplicidade de todos os elementos aparecerem no espectro de forma monoatómica e previsível, enquanto que no caso da técnica de PIGE, como veremos adiante, as reações nucleares mudam radicalmente de um elemento para outro. Por comparação com outras técnicas como a Espectroscopia de Retrodispersão de Rutherford (RBS, Rutherford
Backscattering Spectroscopy) e a análise por reações nucleares (NRA, Nuclear Reaction Analysis), não dá informação sobre o perfil em profundidade de um dado elemento no alvo. A
maioria da atividade de PIXE está concentrada em laboratórios de física nuclear. Cahill et al. listaram 127 grupos de PIXE em 35 países diferentes dos quais 110 – 115 constituem programas ativos [126].