El uso de
fuentes de iluminación LED (diodos emisores de luz) está creciendo de manera
exponencial tanto en el campo de la iluminación ambiente como en dispositivos
de uso personal y doméstico como smartphones, pantallas de ordenador,
electrodomésticos, etc. Sin embargo, el principal problema que plantean los
LEDs que emiten luz blanca radica en su alto contenido de radiaciones de la
banda del azul, que son dañinas para el sistema visual. En este proyecto se ha
diseñado un dispositivo de iluminación formado por diodos LED de diferentes
características espectrales para comprobar si producen daño en la retina, sobre
todo en células del epitelio pigmentario. Los experimentos han demostrado que
la exposición a la luz aumenta el porcentaje de muerte celular inducida por la
luz para todas las fuentes de luz LED, especialmente en las células expuestas a
luz azul y blanca, en las que se produjo un aumento de la muerte celular
respecto al control del 92% y 94% respectivamente. El estudio concluye que la
exposición a altas intensidades de luz LED durante ciclos de luz/oscuridad
produce daños en las células de la retina.
Por EVA
CHAMORRO, CRISTINA BONNIN, LUIS LUCIO LOBATO-RINCÓN, JUAN JOSÉ NAVARRO-VALLS,
GUILLERMO RAMÍREZ-MERCADO, CAROLINA NAVARRO-BLANCO, CELIA SÁNCHEZ-RAMOS.
Introducción
y antecedentes
El primer diodo LED (acrónimo del término inglés Light-Emitting
Diode, o diodo emisor de luz) fue creado en 1927 por Oleg Vladimírovich
Lósev (1903-1942), pero su utilización comercial no se produjo hasta el año
1962, cuando se consiguió desarrollar un LED rojo de intensidad relativamente
baja con una frecuencia de emisión de unos 650 nm. En la década de los años 70
se introdujeron nuevos colores al espectro (verde y naranja), así como LEDs
infrarrojos. Sin embargo, no fue hasta el año 1993 cuando se desarrollaron los
LEDs azules gracias a las tareas de investigación del científico Shuji
Nakamura, que descubrió un proceso barato de fabricación de LED azul a base de
los compuestos nitruro de galio y nitruro de indio. Este descubrimiento dio
paso al posterior desarrollo del LED blanco a partir de LEDs azules con un
recubrimiento de fósforo.
Los LEDs fueron aplicados inicialmente en mandos a
distancia de televisores, equipos de música, etc. Su uso fue aumentando
progresivamente y en la actualidad está generalizado en dispositivos
electrónicos, electrodomésticos, aplicaciones de control remoto, detectores,
telefonía móvil, dispositivos de señalización, paneles informativos, alumbrado
de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas
electrónicas, entre otras. En el ámbito de la iluminación, los LEDs blancos han
sido desarrollados como una opción para sustituir a las bombillas
tradicionales, ya que presentan indudables ventajas, particularmente en cuanto
al bajo consumo de energía, baja tensión, baja temperatura, mayor rapidez de
respuesta y mayor vida útil. Un reciente artículo de Behar-Cohen et al (2011)
pone de manifiesto que en los próximos años las fuentes de luz incandescente
serán reemplazadas progresivamente por LEDs, estimándose que desaparecerán en
Europa en septiembre de 2016 . No
obstante, los LEDs que emiten luz blanca presentan como principales problemas
aún sin resolver un alto contenido de radiaciones de la banda del azul (las más
energéticas) y la alta luminancia.
Es una evidencia científica que la luz azul
(longitudes de onda corta) afecta negativamente a los ojos (retina).
Clásicamente se han diferenciado tres tipos de lesiones producidas por la luz:
fotomecánicas (efectos de choque de las ondas luminosas), fototérmicas (calor
local producido por las ondas) y fotoquímicas (cambios en las macromoléculas).
Actualmente se conocen con bastante precisión los cambios en la retina
inducidos por la luz.
Publicaciones recientes han evaluado los efectos
tóxicos de la luz en cultivos de células del epitelio pigmentario de la retina. Los objetivos principales de estos estudios
han estado orientados a valorar la supervivencia celular de las células tras
ser expuestas a radiaciones de luz. Sin embargo, hasta la fecha no se han
realizado estudios que evalúen el efecto dañino de la luz en las estructuras
oculares que produce la radiación emitida por el diodo LED, hecho de gran
interés debido al elevado número de horas que una persona estará expuesta a lo
largo de su vida a este tipo de fuentes de luz. Por ello, parece imprescindible
su estudio en los órganos del cuerpo humano que están expuestas a ellas, es
decir, los ojos, y más concretamente la retina, que es la zona más vulnerable
del ojo e imprescindible para la visión.
Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo
es determinar el daño inducido por la luz (fototoxicidad) producido por diodos
LED en la retinain vitro para conocer cuál es la repercusión en el
sistema visual de las personas.
Materiales y
metodología
Emisor:
dispositivo de iluminación LED
Se ha diseñado un dispositivo de iluminación que consta de cinco zonas
diferenciadas y separadas entre sí mediante barreras discriminadoras de
material blanco. Cada una de las zonas contiene un LED que produce luz de
irradiancia 5mW/cm2 pero que emite luz de diferentes características espectrales:
LED azul (468 nm), LED verde (525 nm), LED rojo (616 nm), LED blanco con
temperatura de color de 5400ºK y LED blanco con temperatura de color de 5400ºK.
La última zona estaba formada por un grupo control de células que no habían
estado expuestas a la luz (Figura 1).
Figura 1. Esquema
del sistema de iluminación LED utilizado en este estudio.
Receptor:
células del epitelio pigmentario de la retina
Se utilizaron células del epitelio pigmentario de
la retina de donantes humanos sanos que crecieron en un medio de cultivo,
indispensable para el cultivo in vitro de las células. Las
células se colocaron en placas de 96 pocillos y se sembraron a una densidad de
5.000 células por pocillo. Para evitar evaporaciones por el desprendimiento de
calor producido por la luz el medio de cultivo se sustituyó cada 24 horas El
epitelio pigmentario de la retina es una capa de células con forma hexagonal
que es esencial para el procesamiento visual; su alteración conduce a la
degeneración retiniana, la disminución de la función visual e incluso la
ceguera.
Experimento
de fototoxicidad
Las células del epitelio pigmentario de la retina fueron expuestas a las
diferentes fuentes de luz durante tres ciclos de luz/oscuridad (12 horas / 12
horas). Una vez concluida la exposición, las células fueron tratadas con
procedimientos específicos de valoración de toxicidad y fueron observadas
mediante microscopía de fluorescencia (BD Pathway 855, Becton, Dickinson and
Company).
Para cuantificar la supervivencia celular se utilizó teñido DAPI, una
técnica especialmente adecuada para el recuento celular que consiste en un
colorante que tiñe los núcleos celulares y que se excita con luz ultravioleta
para producir una fuerte fluorescencia azul cuando se encuentra unido al ADN.
El indicador utilizado para valorar la muerte celular inducida por la
luz (apoptosis) fue la activación de las caspasas 3 y 7, ya que estas enzimas
están implicadas en la regulación y en la ejecución de la apoptosis.
Tratamiento
estadístico
Cada experimento se repitió al menos dos veces. Los valores son dados
como media ± desviación estándar. Los datos fueron analizados utilizando el
test estadístico t-student con el software estadístico Statgraphics versión
Centurion XVI.I (EE UU). Se consideraron valores significativos p-valores
menores a 0.05.
Resultados
Supervivencia
celular
Tras el periodo de exposición durante tres ciclos de luz/oscuridad (12
horas / 12 horas), los núcleos de las células del epitelio pigmentario de la
retina se tiñeron con DAPI para contar el número de células por pocillo.
Las células no
irradiadas crecieron bien en los pocillos, pero la irradiación con luz LED
inhibió el crecimiento de las células. La luz azul produjo una disminución muy
significativa del número de células, aunque también se pudo observar el efecto
fototóxico para la luz verde y blanca. En el caso de la luz roja no se
observaron diferencias que fueran estadísticamente significativas (Figura 2).
Figura 2. Supervivencia
celular de las células del epitelio pigmentario de la retina. Gráfico
representativo de media ± desviación estándar de n=2-5 experimentos. Imágenes
representativas obtenidas mediante microscopía de fluorescencia. El asterisco
(*) indica diferencias estadísticas cuando se compara con el control
(p<0 .05="" o:p="" t-student="" test="">
Apoptosis
(muerte celular inducida por la luz)
La activación de las caspasas 3 y 7 fue el indicador utilizado para
valorar la muerte celular inducida por la luz, ya que estas enzimas están
implicadas en los mecanismos de apoptosis. Los experimentos mostraron que la
exposición a la luz aumenta el porcentaje de células apoptóticas para todas las
fuentes de luz LED, sobre todo en las células expuestas a luz azul y blanca, en
las que hubo un aumento del 92% y 94% respectivamente de las células apoptóticas
(muerte celular). En las imágenes mediante microscopía se observa la activación
de las caspasas como una coloración rosada alrededor del núcleo teñido azul con
DAPI (Figura 3).
Figura 3. Muerte
celular inducida por la luz determinada por la activación de las caspasas 3 y
7. Gráfico representativo de media ± desviación estándar de n=2-5 experimentos.
Imágenes representativas obtenidas mediante microscopía de fluorescencia. El
asterisco (*) indica diferencias estadísticas cuando se compara con el control
(p<0 .05="" o:p="" t-student="" test="">
Discusión
Werner et al (1989) describieron
diferentes grados de daño en las células del epitelio pigmentario de la retina
en pacientes cuyos ojos tenían que ser enucleados y que voluntariamente miraron
al sol. Sin embargo, no mostraron importantes alteraciones en los
fotorreceptores, lo que explica la buena visión tras la exposición. El epitelio pigmentario de la retina se
regenera rápidamente; sin embargo, los fotorreceptores comienzan un proceso de
degeneración, llegando incluso a su desaparición después de la exposición
lumínica.
En los últimos años, diversas publicaciones se han centrado en valorar
los efectos fototóxicos de la luz en cultivos de células del epitelio
pigmentario de la retina. Los objetivos principales de estos estudios se han orientado
a la valoración de la supervivencia celular de las células epiteliales tras ser
expuestas a la luz. Además, en algunos estudios se valoraron también otros
parámetros como la actividad mitocondrial, el daño en el ADN, los niveles de
factor de crecimiento endotelial y otros aspectos destacables.
Por ejemplo, en los
trabajos de Godley et al (2005) se irradiaron cultivos
celulares con luz compuesta de longitudes de onda entre 390-550 nm, cuya
irradiancia fue de 2.8mW/cm2, oscilando el
tiempo de exposición en un intervalo de entre 0-9 horas. Sus resultados
pusieron de manifiesto que después de tres horas de exposición lumínica no
había diferencias en la supervivencia celular, aunque tras 6-9 horas se apreció
una significativa disminución de la respiración mitocondrial. También se
advirtió que existía un aumento de producción de especies reactivas al oxígeno
tras una hora de exposición, que continuó hasta las seis horas de exposición
lumínica, así como daño en el ADN después de tres horas de
exposición, que disminuía a las seis horas, indicando el inicio de reparación
del ADN (respuesta adaptativa).
Es de reseñar que la norma EN 62471 ha clasificado las fuentes de
iluminación según el riesgo fototóxico (desde la radiación ultravioleta a la
radiación infrarroja), y de acuerdo al máximo tiempo de exposición permitido
establece cuatro grupos de riesgo:
·
Riesgo 0
(sin riesgo). Cuando el límite máximo de exposición es superior a 10.000
segundos.
·
Riesgo 1
(bajo riesgo). Cuando el límite máximo de exposición está entre 100 y 10.000
segundos.
·
Riesgo 2
(riesgo moderado). Cuando el límite máximo de exposición está entre 0,25 y 100
segundos.
·
Riesgo 3
(alto riesgo). Cuando el límite máximo de exposición es menor a 0,25 segundos.
De acuerdo a esta normativa, Behar- Cohen indicó
que un LED azul con una intensidad superior a 15 W pertenece al grupo de riesgo
3 y si la intensidad de la luz es 0.07 W pertenece al grupo 1, siendo las
fuentes de iluminación LED de uso cotidiano para público general clasificadas
como grupo de riesgo 2 (en comparación con las fuentes de iluminación convencionales,
que pertenecen al grupo 0 o 1). Por otro lado, describió que la cantidad de luz
azul emitida por un LED blanco es un 20% superior que la luz del día de las
mismas características en cuanto a temperatura de color.
Conclusión
La exposición a luz LED durante ciclos de luz/oscuridad (12 horas/12
horas), sobre todo las bandas de luz de menores longitudes de onda, produce
daños en células del epitelio pigmentario de la retina. Se requieren futuros
estudios para determinar las intensidades, longitudes de onda y tiempos de
exposición de los dispositivos de iluminación LED que son letales y no letales
para los tejidos retinianos.
GRACIAS ALBERTO DIAZ POR EL DATO!!!
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