Retina AMD Polska

Szkodliwość światła niebieskiego

Blue Light – Medical scientific 

Odkrycia i nowe terapie chorób siatkówki spowodowanych przez światło

New discoveries and therapies in retinal photoxicity

 Serge Picaud Emilie Arnault

PhD. Research director Ph.D. Head of Photobiology

at INSERM Vision Institute project at the Pierre et Marie Curie

France University, Vision Institute

©Inserm/L.Prat France

Points de Vue – n°68 – Spring / Primavera – 2013

Tłumaczenie: Anna Wszołek – wolontariuszka Retina AMD Polska. 

Wprowadzenie
AMD, zwyrodnienie plamki związane z wiekiem, wraz z retinopatią cukrzycową i jaskrą, jest jedną z głównych przyczyn upośledzenia wzroku mieszkańców krajów uprzemysłowionych. W Stanach Zjednoczonych AMD jest uważane za przyczynę 54,4% przypadków upośledzenia wzroku oraz 22,9% przypadków ślepoty. Szacuje się, że w 2010 r. 9,1 mln Amerykanów w wieku powyżej 50 lat było dotkniętych wczesnym stadium AMD i że liczba ta podwoi się do roku 2050, gdy osiągnie 17,8 mln. U przynajmniej 12% Amerykanów i Europejczyków powyżej 80 roku życia stwierdzono zaawansowaną AMD.

W literaturze fachowej, wśród czynników ryzyka AMD, światło słoneczne jest wskazywane jako powód kompleksowego uszkodzenia siatkówki.

Najwyższa część energii widma widzialnego, pomiędzy 400 nm a 500 nm, znana również jako światło niebieskie, odgrywa tutaj istotną rolę. Środki okulistyczne zapewniają przed nim ochronę. Większość soczewek okularowych czy implantów wewnątrzgałkowych zawiera filtry pochłaniające szerokie pasmo światła niebieskiego. Jednakże takie nieselektywne filtrowanie może prowadzić do zaburzeń funkcji oka, głownie wzrokowych. Zakłóceniu ulega postrzeganie kolorów, widzenie skotopowe jest ograniczone, a zegar biologiczny cyklu jawa/ sen, który jest kontrolowany przez wybrane długości fal światła niebieskiego, zostaje wyłączony.

Niedoskonałość mechanizmu filtrowania w tym wycinku widma wynika z braku informacji o względnej toksyczności dla siatkówki każdej długości fali w zakresie widzialnym widma. To dlatego firmy Essilor International i Vision Institute w 2008 r. rozpoczęły wspólne prace nad określeniem szkodliwości światła niebieskiego dla siatkówki i opracowania selektywnej ochronnej soczewki filtrującej.

Światło: czynnik ryzyka przy AMD
Przyczyny AMD nie są obecnie w pełni znane, a więc nie ma skutecznego sposobu leczenia i zapobiegania. Liczne badania epidemiologiczne wskazują różnorodne czynniki ryzyka. Chociaż podstawowym czynnikiem jest wiek, używanie tytoniu i niedostatek karotenoidów, światło prawdopodobnie odgrywa ważną rolę w rozpowszechnianiu się AMD.

Jedną z cech AMD jest pojawienie się pod siatkówką osadów znanych druzami. Depozyty te tworzy lipofuscyna, będąca produktem niszczenia zewnętrznych części fotoreceptorów i pigmentu wizualnego. Uważa się, że światłoczuła lipofuscyna bierze udział w niszczeniu siatkówki powodowanym ekspozycją na światło.

Światło niebieskie: jak bardzo niebezpieczne jest dla siatkówki?
W siatkówce światło jest wchłaniane głównie przez pigmenty wizualne w zewnętrznych segmentach fotoreceptorów.
Pigmenty wizualne kręgowców zbudowane są z białka transbłonowego, w którego skład wchodzi opsyna, związana z witaminą A pochodna 11-cis-retinal. W pręcikach fotoreceptorów pigmentem wizualnym jest rodopsyna.

Większość promieniowania ultrafioletowego jest naturalnie filtrowana przez tkanki przedniej części oka, zwłaszcza rogówki i soczewki. Najsilniejsze światło, które dociera do siatkówki jest zatem głównie niebieskie, pomiędzy 400 nm a 500 nm. Ze względu na wysoką energię wywołuje ono i przyspiesza reakcje fotochemiczne oraz wytwarza rodniki, bardzo aktywne w obecności tlenu, które uszkadzają komórki. W szczególności, toksyczność światła niebieskiego w zewnętrznych komórkach siatkówki objawia się na dwóch poziomach: w fotoreceptorach i w nabłonku barwnikowym siatkówki.

W pręcikach fotoreceptorów absorpcja fotonu przez rodopsynę powoduje izomeryzację i uwalnianie 11-cis-retinal jako substancji trans-retinal. Wolny trans-retinal jest nie tylko toksyczny jako aktywny aldehyd, ale również silnie wrażliwy na światło niebieskie. W umiarkowanym oświetleniu trans-retinal przeistacza się całkowicie i w sposób ciągły w 11-cis-retinal w komórkach nabłonka barwnikowego siatkówki i nie stanowi dla nich żadnego zagrożenia.

Kiedy ekspozycja na światło jest długotrwała lub bardzo intensywna, trans-retinal akumuluje się, a jego pobudzenie przez niebieskie światło może być przyczyną stresu oksydacyjnego. Może on uszkodzić komórki fotoreceptorów. Ten stres jest zwykle kompensowany przez przeciwutleniacze obecne w siatkówce. Jednak w starszym wieku i pod wpływem pewnych czynników genetycznych i środowiskowych, takich jak używanie tytoniu lub dieta uboga w antyoksydanty, mechanizmy obronne są ograniczane i nie mogą zrekompensować stresu spowodowanego przez długotrwałą lub intensywną ekspozycję na światło niebieskie.

Komórki nabłonka barwnikowego siatkówki zapewniają odnowę zewnętrznej warstwy fotoreceptorów. Eliminują dalszą część z nich drogą pokarmową, lub przez mechanizm „fagocytozy”, przy stałym wzroście segmentów zewnętrznych. Kiedy segmenty zewnętrzne zostaną uszkodzone przez stres oksydacyjny, nabłonek barwnikowy siatkówki nie może rozłożyć membran. Trawienie wewnątrzkomórkowe staje sie niekompletne i zaczynają się gromadzić resztki ciał sypkich w postaci lipofuscyny.
Granulki lipofuscyny zawierają duże ilości nienasyconych tłuszczów złożonych, podlegających utlenianiu. W lipofilowym ekstrakcie lipofuscyny zawarty jest aktywny fotosyntezator, który powoduje potrójnie wzbudzony stan. Możliwa jest w nim maksymalna absorpcja światła niebieskiego o długości fali 440 nm. Stwierdzono, że jeden ze składników lipofuscyny, A2E, uczestniczy w fotosyntezie reszty lipidowej. Energii stanu trypletowego wystarcza do transportu i reakcji z tlenem we krwi.

Fotoaktywacja ziaren lipofuscyny przez światło niebieskie powoduje powstawanie aktywnych form tlenu (enzymu, nadtlenku wodoru, reduktora lipidów i dialdehydu malonowego). Gdy liczba tych substratów przekracza komórkową zdolność obronną, komórki nabłonka barwnikowego siatkówki umierają na drodze apoptozy. Fotoreceptory pozbawione komórek pomocniczych, zapewniających dostawy energii, ulegają degeneracji i przyczyniają się do utraty wzroku u osób z AMD.

Podsumowując, sugerowany mechanizm, w którym światło przyczynia się do wystąpienia i progresji AMD, może zadziałać na dwóch płaszczyznach: po pierwsze strony w fotoreceptorach poprzez absorpcję światła niebieskiego przez rodopsynę a następnie w sąsiadujących nadfiolecie i błękicie przez trans-retinal, a po drugie w nabłonku barwnikowym siatkówki, poprzez absorpcję światła niebieskiego przez lipofuscynę.

Ograniczenia aktualnych badań
Toksyczne działanie światła widzialnego i niebieskiego na siatkówkę zostało już udowodnione w doświadczeniach na komórkowych i zwierzęcych modelach degeneracyjnych schorzeń siatkówki.
Jednakże do tej pory nie scharakteryzowano toksyczności poszczególnych długości fal. To istotny mankament. Porównanie wyników doświadczeń utrudniają różne jednostki: energetyczne i wizualne. Ponadto systemy oświetleniowe nie są skalibrowane tak jak źródła światła w naszym środowisku, czy to naturalne (słońce) czy sztuczne (neon, LED, halogen, etc.), a zatem nie obrazują rzeczywistych warunków ekspozycji na światło. Wreszcie żaden z dotychczas stosowanych systemów oświetleniowych nie umożliwia wyodrębnienia krok po kroku widma najbardziej toksycznego dla komórek siatkówki.

Wiadomo jedynie, że najbardziej toksyczny jest w przedział widma od 400 nm do 500 nm.

Rola Instytutu Wzroku i firmy Essilor International
Celem przedsięwzięcia było, wspólnie z Essilor International, zorganizowanie laboratorium fotobiologicznego w Vision Institute, aby umożliwić precyzyjne określenie szkodliwego wpływu na siatkówkę każdej długości fali w niebieskiej części widma widzialnego. Na początku zbudowano komórkowy system oświetlenia. To umożliwiło wytwarzanie widzialnych długości fal o bardzo wąskich pasmach w danym oświetleniu w celu modelowania żądanego widma świetlnego. Źródło światła, na które jesteśmy najbardziej narażeni i które jest najbardziej intensywne to słońce. Dlatego prace przeprowadzono z zastosowaniem dla każdej długości fali wartości promieniowania odpowiedniej dla widma słonecznego.

Drugi kierunek prac doprowadził do opracowania modelu komórek odtwarzających in vitro zwyrodnienia komórek siatkówki występujące w AMD w obecności składnika lipofuscyny A2E.

Wykorzystane urządzenia i sposób postępowania
Komórki hodowane w inkubatorze oświetlano specjalnie skonstruowanym generatorem fal różnej długości. Źródłem światła był zespół diod emitujących światło (LED), każdy podłączony do inkubatora i komórki za pomocą włókien optycznych. Zakres długości fal wynosił od 390 nm do 520 nm do w pasmach szerokości 10 nm (rys.1). Całe urządzenie mogło więc za pomocą każdego włókna ograniczyć oświetlenie do 10 nm widma odbieranego na siatkówce.

Aby przedstawić model gromadzenia się lipofuscyny w siatkówce komórki wyhodowane w nabłonku barwnikowym świni poddano działaniu różnych stężeń A2E (rys.2). Następnie przez 18 godzin komórki te wystawiono na działanie pasma światła o szerokości 10 nm. Sześć godzin po tej ekspozycji komórki scharakteryzowano na podstawie trzech parametrów: odsetka żywych komórek, apoptotycznej aktywności komórek i procentu komórek martwych.

image006Rys. 1 Widok z góry  na płytkę z hodowlą komórek oświetloną przez fale o długości od 390 do 520 nm

image008Rys. 2 Komórki nabłonka barwnikowego siatkówki świńskiej pod wpływemskładnika lipofuscyny A2E i bez niego
Jądra komórek są zabarwione na niebiesko a połączenia międzykomórkowe na czerwono.

Po lewej: A2E w komórkach jest widoczny dzięki autofluorescencji w kolorze zielonym  pod wpływem światła niebieskiego.

Wyniki

Ilość żywych komórek wskazuje, że ekspozycja na światło prowadzi do śmierci komórki tylko wtedy, gdy potraktowano ją A2E (rys. 3).

image010Rys. 3 Komórki nabłonka barwnikowego siatkówki świni pod wpływem A2E trzymane w ciemności lub wystawione na działanie światła. Po lewej: komórki trzymane w ciemności są zdrowe, bo mają kształt sześciokątny i łączą się ze sobą  (w punktach stycznych). Przeciwnie, ekspozycja na światło dzienne  (z prawej) powoduje śmierć komórek, o czym świadczy ich zaokrąglony kształt i zmniejszoną gęstość.

Szkodliwość światła ujawnia się przez aktywację enzymu kaspaza-3, biorącego udział w procesie zaprogramowanej śmierci (apoptozy).

Z drugiej strony nie stwierdzono żadnego przypadku martwicy komórki w czasie tego eksperymentu. Wyniki wskazują, że im większe stężenie A2E, tym większy jest efekt toksyczny światła. Efekt zależy od dawki A2E, a zatem prawdopodobny jest udział lipofuscyny w indukcji fototoksyczności.
Może to być związane z rolą wieku w AMD, ponieważ zaobserwowano, że druzy i lipofuscyna gromadzą się z wiekiem i są obecne w większych ilościach u starszych pacjentów cierpiących na AMD.

Konkluzja i perspektywy

Wspólne prace Vision Institute i Essilor International doprowadziły do skutecznego wykorzystania komórkowego modelu AMD do dokładnego określenia zakresu toksyczności światła słonecznego w siatkówce. Ich wyniki potwierdzają konieczność ochrony przed ściśle określonymi długościami fal światła niebieskiego. Trzeba pamiętać, że te długości fal są obecne w różnych proporcjach w sztucznym świetle (neon, LED, ksenon, halogen, itd.), a potencjalne skutki długotrwałej ekspozycji na to światło nie powinny być lekceważone. Projekt ten pozwala zrozumieć fizjopatologiczne procesy AMD oraz mechanizmy terapeutyczne i profilaktyczne przeciw tej chorobie.

Terapie te mogą mieć zastosowanie w innych schorzeniach siatkówki z udziałem stresu oksydacyjnego degenerującego fotoreceptory, jak barwnikowe zwyrodnienie siatkówki czy choroba Stargardta. Połączenie osiągnięć Vision Institute z dziedziny biologii komórek siatkówki oraz firmy Essilor International z optyki było fundamentem tego innowacyjnego projektu oftalmologicznego.

Góra