Health Diagnostics from Hephæstian Flame: Roots and Branches in Clinical Chemistry Development

Abstract

Esta tese explora as raízes, pontos de inflexão e áreas pouco exploradas da química clínica, medicina laboratorial e patologia clínica. Ao fazê-lo, definirá biomarcadores e sua importância para o diagnóstico da saúde humana. São abordadas definições de saúde e doença, particularmente em termos de homeostase, um conceito introduzido pela primeira vez no século XIX e aplicável hoje. Faz-se ainda uma revisão dos métodos de diagnóstico e da sua relevância.A tese descreve que a química clínica, assim como tantos outros avanços tecnológicos e científicos, baseou-se nos primeiros mistérios da ciência material - o fato de que, sem a humanidade empregando o fogo de maneiras cada vez mais sutis, os objetos de metal e vidro nunca teriam surgido.Nesta tese descreve-se a importância dos fotodetetores e fotomultiplicadores, equipamentos que passaram a dar informação objetiva que nossos olhos jamais alcançariam. O fotomultiplicador é um objeto de arte resultante do uso da chama. Por exemplo, o fotomultiplicador permitiu que a prática subjetiva da colorimetria se tornasse sensível em uma ampla gama de comprimentos de onda de radiação eletromagnética e permitiu a deteção de fragmentos moleculares ionizados, entidades que poderíamos imaginar que poderiam existir sob certas condições. Pode-se argumentar que os precursores dos tubos fotomultiplicadores foram o telescópio e o microscópio — instrumentos feitos de vidro refinado e metal moldado, mas também instrumentos que forneceram ao olho humano poderes que ele não possuía anteriormente.A tese descreve o lugar central do diagnóstico clínico e quantitativo nas sociedades modernas focadas na saúde. A tese apresentará brevemente como as tecnologias de diagnóstico se desenvolveram a partir de descobertas científicas básicas antes de passar para o uso da ciência e tecnologia aplicadas às questões de diagnóstico que a saúde humana. A seção será concluída com as observações de que, embora muito seja conhecido, existem informações que fornecerão novos desafios para diagnósticos e terapêuticas.As seções restantes da tese discutirão o trabalho de vários indivíduos que representam desenvolvimentos importantes na história da medicina diagnóstica quantitativa. O Capítulo Três fornece uma breve história das técnicas de percussão e ausculta mediata.O Capítulo Quatro sugere uma união improvável entre a definição de Newton do espectro visível e a descoberta de Leeuwenhoek dos “animalcules” – bactérias e protozoários, embora ele não os conhecesse como tais –, bem como o comportamento físico e químico dos glóbulos vermelhos.Os capítulos cinco, seis e sete são os primeiros dos quatro artigos publicados e revisados por pares apresentados na tese.O Capítulo Oito apresenta o trabalho de Gabriel Andral, Jules Gavarret e o trabalho de Louis-René Le Canu, sobre quem Andral e Gavarret basearam aspectos de seu estudo de 1840 sobre componentes do sangue na presença de várias doenças.O Capítulo Nove apresenta o trabalho de Carl Schmidt e Karl von Vierordt, dois fisiologistas alemães de meados do século XIX que estudaram os componentes do sangue e o número de glóbulos vermelhos em um volume definido de sangue, respetivamente. Este trabalho foi depositado no repositório Cambridge Open Engage para estabelecer a prioridade da pesquisa (I. M. Davis, 2020a, 2022a, 2022c).O Capítulo Dez segue o desenvolvimento de métodos de química clínica para fosfatase alcalina. Os Capítulos Onze e Doze abordam aspetos da epidemiologia. O Capítulo Onze é uma revisão histórica da epidemia portuguesa de cólera de 1833 e 1834. O Capítulo Doze, revisado por pares e publicado em Reviews in Medical Virology, analisa a epidemia de SARS-CoV de 2003 (I. M. Davis, 2020c).Em resumo, esta tese abordou várias lacunas no registo da história da ciência, particularmente no que diz respeito a Antoni van Leeuwenhoek, Carl Schmidt, Karl von Vierordt e Gabriel Andral. Além disso, aborda a importância de manter registos persistentes das atividades de laboratório que formam a base da ciência reproduzível em todos os campos. Em geral, a tese aborda a importância de biomarcadores e endpoints substitutos como meio para estabelecer uma compreensão da saúde do doente ou se se está a iniciar uma doença. O diagnóstico tem sido inevitavelmente uma prática associada à assistência humana desde antes da história registada. Nos séculos XVIII, XIX e XX, o diagnóstico tornou-se uma prática cada vez mais associada à quantificação de entidades químicas desconhecidas em épocas anteriores.

This thesis explores some roots, branches, inflection points, and under-explored areas of quantitative diagnostic medicine, also known also as clinical chemistry, laboratory medicine, and clinical pathology. In doing so, it will define biomarkers and their importance to the diagnosis of human health. It will attempt definitions of health and illness, particularly in terms of homeostasis, a concept first introduced in the 19th century and applicable today. It will offer a top-level review of diagnostic methods and illustrate that health diagnostics are important to physicians and to a global marketplace.The thesis will describe that clinical chemistry, as with so many other technological and scientific advances, has relied on the earliest mysteries of material science—the fact that without humanity employing fire in increasingly subtle ways, metal and glass objects would never have come into existence.The thesis will introduce the importance of photodetectors and photomultipliers, objects that have come to serve us all as surrogate eyes, capable of objectivity our eyes could never achieve. The photomultiplier is a supreme object d’art resulting from the use of flame. For instance, the photomultiplier has allowed the subjective practice of colorimetry to become sensitive across a wide range of electromagnetic radiation wavelengths and enabled the detection of ionized molecular fragments, entities we could only imagine might exist under certain conditions. It could be argued that the precursor to photomultiplier tubes were the telescope and microscope—instruments fashioned from refined glass and molded metal but also instruments that provided the human eye with powers it did not possess previously.The thesis will introduce a common practice in modern communities—a health check-up with a physician—to demonstrate quantitative diagnostic medicine’s central place in modern health-focused societies. The thesis will briefly introduce how diagnostic technologies developed from basic scientific discoveries before moving on to the use of applied science and technology to diagnostic issues that human health poses. The section will conclude with the observation that while much is known, we are often presented with surprising information that provides new challenges to diagnostics and therapeutics.The remaining sections of the thesis will discuss work from various individuals who represent important developments in the history of quantitative diagnostic medicine. Chapter Three provides a brief history of the techniques of percussion and mediate auscultation.Chapter Four suggests an unlikely union between Newton’s definition of the visible spectrum and Leeuwenhoek’s discovery of “animalcules”—bacteria and protozoans, although he did not know them as such—as well as the physical and chemical behavior of red blood cells.Chapters Five, Six, and Seven are the first of four peer-reviewed and published articles presented in the thesis.Chapter Eight is a work in progress and has not been submitted for publication. It introduces the work of Gabriel Andral, Jules Gavarret, and the work of Louis-René Le Canu upon whom Andral and Gavarret based aspects of their 1840 study of blood components in the presence of various maladies.Chapter Nine introduces the work of Carl Schmidt and Karl von Vierordt, two mid-19th-century German physiologists who studied blood components and the number of red blood cells in a defined volume of blood, respectively. The work is in peer review and is published on the Cambridge Open Engage website to establish priority of the research.Chapter Ten is another work in progress. It follows the development of clinical chemistry methods for alkaline phosphatase.Chapters Eleven and Twelve address aspects of epidemiology. Chapter Thirteen is a historical review of the Portuguese cholera epidemic of 1833 and 1834. Chapter Fourteen, peer-reviewed and published in Reviews in Medical Virology, reviews the SARS-CoV epidemic of 2003.In summary, this thesis has addressed various gaps in the science history record, particularly with regard to Antoni van Leeuwenhoek, Carl Schmidt, Karl von Vierordt, and Gabriel Andral. In addition, it uses the example of a clinical chemistry method to address the importance of maintaining persistent records of laboratory activities that form the foundation of reproducible science in all fields. In general, the thesis addresses the importance of biomarkers and surrogate endpoints as means to establish an understanding of patient health. Diagnosis has inevitably been a practice associated with assisting humans since before recorded history. In the 18th, 19th, and 20th centuries, diagnosis became a practice that was increasingly associated with the quantitation of chemical entities unknown in earlier eras.