Los leds y el riesgo de la luz azul

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CHRISTOPHE MARTINSONS
Responsable de la división Iluminación y
Electromagnetismo, Dirección Salud y Confort
Centro Científico y Técnico
de la Construcción – CSTB
Grenoble, Francia

ESTE ARTÍCULO PRESENTA UN PANORAMA GENERAL de los conocimientos sobre la toxicidad potencial para la retina de la luz que emiten los LED. Durante varios años, se ha considerado y estudiado el denominado «riesgo por luz azul» debido a su alto nivel de brillantez y su espectro de emisión que contiene una fracción significativa de luz azul. Varios estudios independientes realizados por agencias sanitarias han demostrado que el riesgo que plantean los LED utilizados como fuentes de iluminación general es bajo. No obstante, no puede dejarse de lado el caso de algunos grupos de personas sensibles, si se considera el desempeño óptico cada vez mayor de los LED, así como su rápida difusión en el mercado de consumo en general.
Las fuentes tradicionales de iluminación, como la muy conocida lámpara incandescente y la lámpara fluorescente compacta, están siendo rápidamente sustituidas por productos a base de diodos emisores
de luz (LED) (fig. 1). La SSL (solid-state lighting) presenta muchas ventajas, como son un tiempo de vida más largo, un menor consumo de energía y un menor impacto medioambiental. Por lo tanto, muchos gobiernos han comenzado a prohibir paulatinamente las tecnologías de iluminación más antiguas, preparando el terreno para una utilización masiva de los LED en el mercado general de iluminación. De hecho, los líderes de la industria de la iluminación consideran que, en el 2020, más del 90 % de todas las fuentes de luz en el mundo utilizarán productos basados en las tecnologías SSL y LED.
Como cualquier tecnología nueva o emergente, los productos SSL deberían proporcionar la prueba de que, por lo menos, son tan seguros como los productos que intentan sustituir. Además, algunas propiedades únicas de los LED, como su compacidad, han generado muchas nuevas aplicaciones de iluminación para las cuales las tecnologías más antiguas ya no se pueden utilizar. Por ejemplo, algunos tipos de juguetes y ropa actualmente incorporan LED. La seguridad de los productos que utilizan LED debería ser evaluada considerando las interacciones con el cuerpo humano, tanto en las
nuevas maneras de utilización como en las ya existentes.
Los efectos adversos potenciales de la radiación óptica en la piel y en los ojos se conocen como riesgos fotobiológicos. Los LED actualmente utilizados en aplicaciones de iluminación tienen la ventaja de emitir una cantidad insignificante de radiaciones ultravioleta (UV) e infrarrojas (IR) 1. Los únicos riesgos fotobiológicos que hay que considerar al evaluar la seguridad de los LED están asociados
con la luz visible y, más especialmente, la parte azul del espectro.

FIG. 1 Fotografías de varios tipos de productos de iluminación sólida.
a: Luminaria direccional (spot light) con LED.
b: Una lámpara SSL con tres LED y utilizada para sustituir a la lámpara incandescente.
c: Una luminaria de exteriores de alta potencia SSL con módulos LED 121.
d: Un componente LED típico, utilizado en muchos productos SSL. Este tipo de LED consume
aproximadamente 1 W de electricidad y genera un flujo luminoso de aproximdamente 100 lm.
Su luminancia puede ser tan elevada como 107 cd/m².

Un cierto número de agencias sanitarias como ANSES 2 y SCENIHR 3 han analizado y hecho un repaso de las publicaciones científicas sobre los riesgos fotobiológicos asociados al uso de los LED.
Dos características principales de los LED han atraído la atención de los expertos:
• Los LED son fuentes pequeñas pero muy brillantes de luz visible y pueden deslumbrar. Debido a su brillantez, los LED también tienen una radiancia muy elevada (una cantidad fotométrica que expresa
la «concentración de la luz»), lo cual, a su vez, produce un nivel de luminancia elevado de la retina.
• La gran mayoría de los LED blancos, que producen luz blanca, tienen como base un chip que emite luz azul, asociado a varias capas de material fluorescente (luminóforos) para producir longitudes de
onda más largas. Como consecuencia, el espectro de emisión de un LED blanco consiste en un pico estrecho de azul primario y un pico ancho, secundario, en la parte amarillo-naranja-rojo del espectro.
Ambos picos están separados por una región de emisiones muy bajas en la parte azul-verde del espectro (fig. 2).

RIESGOS RELACIONADOS CON LA LUZ AZUL
La luz visible puede ocasionar daños térmicos y daños fotoquímicos en la retina. Los niveles de exposición necesarios para producir daños en la retina no pueden alcanzarse con la luz que emiten los LED con las tecnologías actuales. El riesgo fotoquímico ocurre en presencia de la iluminancia de la luz azul en la retina. Debido al alto nivel de brillantez de los LED, los niveles de iluminancia son potencialmente elevados, y deben ser considerados con atención. En general, los daños fotoquímicos de la retina dependen de la dosis acumulada a la cual la persona ha estado expuesta, lo cual puede ser el resultado de una breve exposición de alta intensidad, o también puede aparecer tras exposiciones de baja intensidad repetidas en períodos largos.
Se ha determinado que la luz azul es dañina para la retina debido al estrés oxidativo celular. Se sospecha también que la luz azul es un factor de riesgo en la degeneración macular asociada a la edad (DMLA).
Se puede hacer una estimación de la exposición retiniana a la luz azul utilizando las directrices de la ICNIRP 4. Se puede estimar una cantidad denominada radiancia ponderada de luz azul (LB) como función de la distancia a la cual se encuentra la fuente de luz (distancia de visualización) y el tiempo de exposición. La ICNIRP ha determinado los valores máximos permisibles de exposición (MPE) para definir límites para la LB como función del tiempo de exposición.
En los últimos tres años, los fabricantes y las asociaciones profesionales de iluminación suministran los datos de exposición a la luz azul de los LED, aunque también los suministran agencias gubernamentales y laboratorios independientes. Uno de los hallazgos ha sido que los niveles de exposición retiniana a la luz azul LB del usuario producida a una distancia de 200 mm con LED azules y blancos fríos (LED desnudos y LED equipados con lentes de enfoque) superan los límites MPE determinados por el ICNIRP después de un tiempo de exposición comprendido entre algunos segundos, en el caso de los LED azules de alta potencia, hasta varias decenas de segundos en el caso de los LED blancos fríos de alta potencia. Como consecuencia, no se puede descuidar el potencial de toxicidad de algunos componentes LED a corta distancia. No obstante, cuando la distancia de visualización se aumenta a un metro, el tiempo de exposición máximo permisible aumenta rápidamente a algunos miles de segundos, hasta algunas decenas de miles de segundos. Estos tiempos de exposición muy largos suministran un margen de seguridad razonable que nos permite afirmar que no hay prácticamente ningún daño posible que la luz azul pueda ocasionar a la retina por los LED en distancias de visión más largas (afirmación válida para los LED recientes en el momento de la escritura de este artículo).
Varias clases de productos y aplicaciones basadas en LED desnudos o LED cubiertos con lentes de enfoque (colimador) se encuentran directamente en el caso de un alto nivel de exposición potencial a la luz azul de la retina cuando la distancia de visión puede ser corta.
Solo algunos ejemplos a continuación:
• Las pruebas y ajustes que llevan a cabo los operarios en las instalaciones de fabricación de los LED azules y blancos fríos de alta potencia así como los instaladores.
• Los juguetes, que utilizan LED, dado que el mayor nivel de transparencia del cristalino de los niños los hace más propensos a una mayor exposición retiniana de luz azul.
• Los faros LED de día en los coches cuando estos son accionados cerca de los niños u otros sujetos sensibles.
• Algunos tipos de lámparas direccionales de LED vendidas para aplicaciones domésticas. Estas lámparas pueden utilizarse desde distancias tan cortas como 200 mm.

FIG. 2 La curva azul representa el espectro de emisiones típico de un LED blanco. El pico azul alcanza su valor máximo a aproximadamente unos 435 nm, y corresponde a la luz primaria generada por la propia
estructura semiconductora del LED (chip de LED).
El pico secundario alcanza su valor máximo a 550 nm (color amarillo), y es la luz secundaria que los luminóforos emiten al ser excitados por la luz azul (fluorescencia). La combinación de la luz azul directa y la luz secundaria de color amarillo/rojo produce el color blanco.
La curva roja es un trazado de la función de fototoxicidad retiniana de la luz azul. Alcanza su valor máximo en longitudes de onda que corresponden al pico de luz azul emitido por los LED.

Las conclusiones que se aplican a los componentes aislados de los LED o los módulos de LED no se pueden aplicar a todas las aplicaciones SSL, porque la seguridad fotobiológica de un producto final SSL debe ser evaluada independientemente de sus componentes LED. De hecho, el valor LB de un producto SSL es generalmente muy distinto del valor LB de los componentes LED que utiliza. Por ejemplo, se puede obtener un LB superior con una lámpara que utiliza todo un conjunto de LED con un LB bajo. Por el contrario, se puede obtener un LB inferior con una lámpara a la que se le coloca un difusor delante de un LED con un LB elevado.
En el caso de todos los LED y los productos que utilizan LED, se debe llevar a cabo una evaluación de riesgos para determinar si se están superando o no los límites (MPE) en las condiciones de utilización.
Esta evaluación de riesgos se puede llevar a cabo en laboratorios de pruebas especializados en la fotometría de fuentes de luz como el CSTB 5 y el LNE 6 en Francia.
La herramienta principal utilizada para llevar a cabo evaluaciones de riesgos fotobiológicos es la publicación CIE 7 S009 cuyo contenido fue plasmado en una norma internacional (IEC 62471) así como otras normas nacionales (IESNA RP27, JIS C8159, etc.).

LA NORMA SOBRE SEGURIDAD FOTOBIOLÓGICA IEC 62471
Esta norma, que trata de la seguridad fotobiológica de lámparas y aparatos que utilizan lámparas, suministra un sistema de clasificación de las fuentes de luz en diferentes grupos de riesgo. La norma incluye todos los riesgos fotobiológicos que puedan afectar la piel y los ojos (riesgos térmicos y fotoquímicos) de las longitudes de onda ultravioletas hasta las infrarrojas. Se definen cuatro grupos de riesgos: Grupo de Riesgo 0 (RG 0, sin riesgo), Grupo de Riesgo 1 (RG 1, bajo riesgo), Grupo de Riesgo 2 (RG2, riesgo moderado), Grupo de Riesgo 3 (RG3, riesgo elevado).
El nivel de riesgo del grupo depende del tiempo máximo permisible de exposición (MPE) evaluado a una distancia de visualización dada.

METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE LOS RIESGOS
La IEC 62471 define dos criterios diferentes para determinar la distancia de visualización. Las fuentes de luz utilizadas en la iluminación en general deberían ser evaluadas a la distancia correspondiente a una iluminancia de 500 lx. Otros tipos de fuentes de luz deberían evaluarse a una distancia fija de 200 mm.
Para los componentes LED no existe ninguna ambigüedad en la distancia, ya que los componentes LED no se utilizan per se en la iluminación general. En este caso, la IEC 62471 requiere que se utilice una distancia de 200 mm. La aplicación de la técnica de medición de la IEC 62471 a 200 mm conduce a la clasificación RG2 (riesgo moderado) para algunos LED azules de alta potencia y los LED blancos fríos.
Sin embargo, la elección de la distancia de visualización según la IEC 62471 es a veces ambigua y no es realista en el contexto de las condiciones reales de utilización. Por ejemplo, mencionemos la iluminación de escenarios (teatros y salas de concierto) donde los artistas están expuestos a más de 500 lx de nivel de iluminancia.
El aplicar el criterio de los 500 lx podría subestimar la exposición, mientras que el criterio de 200 mm lo sobreestimaría ampliamente.
En una situación más habitual, las lámparas domésticas direccionales caen en el criterio de los 500 lx, lo cual corresponde a una distancia de visualización típica de algunos metros. No obstante, es más común tener distancias más cortas en una utilización doméstica, de 200 a 500 mm. Otro ejemplo es el alumbrado de la calle en el que el nivel de iluminancia es muy inferior a los 500 lx, típicamente algunas decenas de lx. El evaluar la exposición a la luz azul que emite una luminaria de la calle a la distancia que da una iluminancia de 500 lx, es claramente inadecuado. En una revisión futura de la IEC 62471 se debería incorporar una definición más precisa de la distancia con arreglo a la cual se
determina el grupo de riesgo.
Es interesante observar que la estricta aplicación de la CIE S009 y la IEC 62471 en las lámparas LED de interior y las luminarias conducen a clasificaciones RG0 y RG1, al igual que las fuentes de luz interior tradicionales (lámparas fluorescentes, incandescentes y halógenas).
No obstante, cuando se elige la distancia de visualización de 200 mm, varias campañas de medición revelan que un número pequeño de lámparas LED de interior y luminarias pertenecían a RG2, mientras que las fuentes de luz interiores tradicionales (fluorescente e incandescente) estaban
todavía en RG0 o RG1. Este resultado muestra que la tecnología LED potencialmente aumenta el riesgo de luz azul en aplicaciones domésticas mientras que la distancia de visualización no es limitada y las fuentes de luz son accesibles a los niños y a otras personas sensibles.
En el momento de la publicación, el público en general sigue estando inconsciente de los riesgos potenciales a los ojos puesto que no se aplica ningún sistema de etiquetado obligatorio en los productos SSL para los consumidores.
La noción de distancia de seguridad sería más adecuada para comunicar a los instaladores y a los usuarios, especialmente al público en general.
La distancia de seguridad de un producto SSL sería la distancia mínima en la que el grupo de riesgo por luz azul no supera el RG1. Las campañas de medición llevadas a cabo por algunos laboratorios han mostrado que la gran mayoría de las lámparas LED interiores y las luminarias tienen una distancia de seguridad de 200 mm, lo cual es compatible con la mayoría de las aplicaciones de iluminación.
Es importante observar que otras fuentes de iluminación ampliamente utilizadas, especialmente las lámparas de descarga de alta intensidad utilizadas en exteriores se encuentran en el RG2 (riesgo moderado).
No obstante, estas lámparas tienen utilizaciones claramente identificadas y solo pueden ser instaladas por profesionales que tendrían que estar conscientes de los requisitos de distancia de seguridad para limitar la exposición.

OTRAS LIMITACIONES DE LA IEC 62471 Y LA CIE S009; LA TOMA EN CONSIDERACIÓN DE PERSONAS SENSIBLES
Los límites máximos de exposición definidos por la ICNIRP y que son utilizados para definir los grupos de riesgo tanto en la IEC 62471 como en la CIE S009 no son adecuados en el caso de exposiciones repetidas a la luz azul como si fueran calculados para una exposición máxima
en un día de 8 horas. Estos no toman en consideración la posibilidad de una exposición a lo largo de toda la vida.
Ni la CIE S009 ni la IEC 62471 toman, en consideración la sensibilidad de algunos grupos de personas específicos que se caracterizan por una mayor sensibilidad a la luz visible como por ejemplo:
• Las personas que tienen condiciones oculares o dérmicas preexistentes y cuyos síntomas patológicos pueden ser desencadenados o agravados por la luz artificial.
• Los afáquicos (personas sin cristalino) y pseudoafáquicos (personas con cristalinos artificiales) que, como consecuencia de su estado, no pueden, o lo hacen de modo insuficiente, filtrar longitudes de onda cortas (especialmente la luz azul).
• Los niños.
• Las personas mayores porque sus ojos son más sensibles a las radiaciones ópticas.
Las normas fotobiológicas relativas a los sistemas de iluminación deberían extenderse para cubrir a los niños y a las personas fáquicas o pseudoafáquicas, tomando en consideración la curva de fototoxicidad correspondiente publicada por la ICNIRP en sus directrices.
Además del comprobado daño fotoquímico en la retina resultante de una exposición aguda a la luz azul, todavía hay incertidumbre sobre los efectos de la exposición crónica en dosis bajas. Dichos efectos todavía son objeto de investigación por parte de oftalmólogos, biólogos y científicos ópticos. En Francia, el proyecto RETINALED 8 investiga los efectos de la baja exposición crónica de los rumiantes a la luz emitida por los LED.
Algunas categorías de trabajadores están expuestos a altas dosis de luz artificial (tiempos largos de exposición y/o iluminancias retinianas elevadas) en sus actividades del día a día (ejemplos:
profesionales de la iluminación, artistas de escenario, etc.). Puesto que todavía no se han comprendido completamente los mecanismos que ocasionan los daños, los trabajadores expuestos deberían utilizar los medios de protección individual adecuados como una medida de precaución
(lentes que filtran la luz azul, por ejemplo).

CONCLUSIONES
Debido a sus propiedades únicas de emisión de luz, los LED se están convirtiendo en la fuente de luz dominante en este siglo.
No obstante, los riesgos que plantean estas nuevas fuentes de luz también son inherentes a sus características: alta eficacia óptica en un dispositivo pequeño (produciendo así un alto nivel de radiancia) asociado a un nivel significativo de emisiones de luz azul.
La combinación de ambos factores puede potencialmente aumentar el riesgo de daños fotoquímicos en la retina, en comparación con la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente.
Los líderes de la industria de la iluminación están muy conscientes de la seguridad fotobiológica de sus productos. Un gran número de productos de iluminación que utilizan LED emiten ahora tonos más cálidos de luz blanca (reducción del contenido de luz azul en el espectro) o bien utilizan difusores para disminuir el deslumbramiento (reducción de la radiancia). Se ha encontrado que la mayoría de los productos de iluminación presentan bajos riesgos, o ninguno, para la población en general cuando la distancia de visualización es igual o mayor a los 200 mm.

Sin embargo, las campañas de medición realizadas por agencias independientes han señalado algunos productos de iluminación con riesgos significativamente superiores en una distancia de menos de un metro o más. Actualmente, los fabricantes de productos de iluminación no hacen ninguna mención de una «distancia de seguridad».
Por lo tanto, es imposible que el público identifique lámparas o luminarias con un nivel superior de riesgos.
La evaluación de riesgos por luz azul relacionada con los LED puede llevarse a cabo por laboratorios de pruebas que utilizan la norma IEC 62471 y que no determina de una manera perfectamente clara la
distancia de visualización que hay que considerar. Además, esta norma no toma en consideración a los grupos de personas sensibles como los niños, los afáquicos, los pseudoafáquicos y las personas mayores, a pesar del hecho de que estas personas están expuestas a niveles superiores de luz azul en la retina.
Los conocimientos actuales de los mecanismos de la fototoxicidad de la luz azul distan mucho de estar completos. Los efectos de la exposición crónica y de la baja exposición acumulada en períodos
muy largos todavía siguen siendo objeto de investigación activa.

REFERENCIAS
F. Behar-Cohen, C. Martinsons, F. Viénot, G. Zissis,
A. Barlier-Salsi, J.P. Cesarini, O. Enouf, M. Garcia,
S. Picaud, D. Attia, Light-emitting diodes (LED) for domestic lighting: Any risks for the eye?, Progress in Retinal and Eye Research, Volume 30, Issue 4, July 2011, Pages 239-257.
« Effets sanitaires des systèmes d’éclairage utilisant des diodes électroluminescentes (LED) », Saisine n°2008-SA-0408, Rapport d’expertise collective de l’Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’Alimentation, de l’Environnement et du Travail (ANSES), www.anses.fr “Health Effects of Artificial Light”, Opinion of the Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR), European Commission, March 2012, ISSN 1831-4783, http://ec.europa.eu/health/scientific_committees/policy/index_en.htm
EN 62471, European Standard, “Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems”, 2008.
8 El INSERM, CSTB y ENVA llevan a cabo el proyecto RETINALED, con el apoyo de la ADEME (Agencia Francesa del Medio Ambiente y Gestión de la Energía).

BIOGRAFIA
Christophe Martinsons obtuvo su Doctorado (Ph.D) de Física de la Universidad de Reims Champagne-Ardenne en 1998.
Hasta el año 2000, ocupó el puesto de investigador científico en el Laboratorio Nacional de Física. De 2000 a 2007, trabajó en el área de la automatización doméstica para el Grupo HAGER.
En 2007, se incorporó a CSTB para dirigir la división de Iluminación, Electricidad y Electromagnetismo.
Actualmente dirige investigaciones y consultorías en el área de la iluminación artificial combinada con la luz natural para la promoción de la eficiencia energética en edificios a la vez de que se suministran las mejores condiciones de comodidad visual para los usuarios. El enfoque que él ha desarrollado en torno a la iluminación se ha incorporado en el nuevo código energético de la construcción francesa (RT 2012).
En los últimos cuatro años, Christophe Martinsons ha venido dirigiendo campañas de medición en laboratorio para agencias gubernamentales francesas, trabajando también en estudios independientes sobre los aspectos medioambientales y sanitarios de la iluminación sólida y los LED.

Daño ocular causado por dispositivos LED

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Higiene Industrial

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[1] . 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[2,3].

Publicaciones recientes han evaluado los efectos tóxicos de la luz en cultivos de células del epitelio pigmentario de la retina[4,5]. 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 retina in 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).

El empleo de LEDs se ha generalizado en dispositivos electrónicos, electrodomésticos, detectores, telefonía móvil, señalización, calculadoras y agendas electrónicas, entre otros

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, test t-student).

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, test t-student).

Discusión

Las primeras evidencias del daño que la luz produce en la retina humana se remontan al año 1912 en Alemania, cuando miles de individuos sufrieron lesiones en la retina tras observar un eclipse solar[6]. Clásicamente se han descrito dos bandas del espectro visible que provocan daños fototóxicos: una coincide con el espectro de absorción de la rodopsina y la otra alcanza el máximo daño en la región de longitud de onda corta (lo que proporciona la base para el concepto de riesgo de luz violeta-azul). Consecuentemente, se han propuesto dos mecanismos de daño fotoquímico en la retina: el planteado por Noell en 1965 y el planteado por Ham en 1976. En la tabla 1 se exponen las características diferenciales de ambos[7-9].

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[10]. 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[11].

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)[4].

El estudio concluye que la exposición a luz LED durante ciclos de luz/oscuridad produce daños en células del epitelio pigmentario de la retina

Sin embargo, hasta la fecha no existen estudios que hayan evaluado el efecto fototóxico de la radiación emitida por el diodo LED en células retinianas. En nuestro estudio se ha valorado la supervivencia celular y la muerte celular del epitelio pigmentario de la retina producido por luz LED de medias intensidades de luz (5 mW/cm2). Los resultados de nuestros experimentos muestran una importante disminución de la supervivencia celular en la retina asociada a un aumento de la muerte celular inducida por la luz LED, siendo el daño fototóxico más importante para las luces de menor longitud de onda.

Tipo I o tipo azul-verde o tipo Noell Tipo II o tipo UV-azul o
Producido tras largas exposiciones a bajas intensidades de luz (<1mW/cm2) Producido tras cortas exposiciones a altas intensidades de luz (>10mW/cm2)
Daño inicial localizado en los fotorreceptores Daño inicial localizado en las células del epitelio pigmentario de la retina
Longitudes de onda que producen mayor daño: equivalente al espectro de absorción del pigmento visual (rodopsina) Longitudes de onda que producen mayor daño: longitudes de onda cortas del visible (violeta-azul)
Tabla 1. Características diferenciales de los mecanismos de daño fotoquímico en la retina

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[1].

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.

AGRADECIMIENTOS

Esta investigación ha sido financiada por FUNDACIÓN MAPFRE (Ayudas a la investigación 2011).

PARA SABER MÁS

  1. Behar-Cohen F, Martinsons C, Vienot F, Zissis G, Barlier-Salsi A, Cesarini JP, Enouf O, García M, Picaud S, Attia D. Light-emitting diodes (LED) for domestic lighting: Any risks for the eye? Prog Retin Eye Res 2011;30:239-257.
  2. Wenzel A, Grimm C, Samardzija M, Reme CE. Molecular mechanisms of light-induced photoreceptor apoptosis and neuroprotection for retinal degeneration. Prog Retin Eye Res 2005;24:275-306.
  3. Wu J, Seregard S, Algvere PV. Photochemical damage of the retina. Surv Ophthalmol 2006; 51:461-481.
  4. Godley BF, Shamsi FA, Liang FQ, Jarrett SG, Davies S, Boulton M. Blue light induces mitochondrial DNA damage and free radical production in epithelial cells. J Biol Chem 2005;280:21061-21066.
  5. Sparrow JR, Miller AS, Zhou J. Blue light-absorbing intraocular lens and retinal pigment epithelium protection in vitro. J Cataract Refract Surg 2004;30:873-878.
  6. Postel EA, Pulido JS, Byrnes GA, Heier J, Waterhouse W, Han DP, Mieler WF, Guse C, Wipplinger W. Long-term follow-up of iatrogenic phototoxicity. Arch Ophthalmol 1998;116:753-757.
  7. Noell WK. Aspects of experimental and hereditary degeneration; in Graymore C (ed.): Biochemistry of the retina. London, Academic Press, 1965, pp 51-72.
  8. Ham WT, Jr., Ruffolo JJ, Jr., Mueller HA, Clarke AM, Moon ME. Histologic analysis of photochemical lesions produced in rhesus retina by short-wave-length light. Invest Ophthalmol Vis Sci 1978;17:1029-1035.
  9. Ham WT, Mueller HA, Sliney DH. Retinal sensitivity to damage from short wavelength light. Nature 1976;260:153-155.
  10. Werner JS, Steele VG, Pfoff DS. Loss of human photoreceptor sensitivity associated with chronic exposure to ultraviolet radiation. Ophthalmology 1989;96:1552-1558.
  11. Tso MO, La Piana FG. The human fovea after sungazing. Trans Sect Ophthalmol Am Acad Ophthalmol Otolaryngol 1975;79:OP788-795.

Consecuencias de una vida iluminada: cuando la luz puede coartar la visión

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08/06/2015 | CIENCIAS BIOLÓGICAS Y DE LA SALUD

Una investigadora del Consejo habla de los efectos de las luces LED sobre los mecanismos de percepción de la luz.

En los vertebrados la función principal del sistema visual es detectar luz e interpretarla. Pero ¿cómo ocurre este proceso? Pues bien, para ello existe un tejido sensible a la luz, la retina, localizada en la parte posterior del ojo. Este tejido está formado por células nerviosas, algunas de las cuales son fotorreceptoras, gracias a la presencia de fotopigmentos (conos, bastones y algunas ganglionares).

Las células fotorreceptoras, a través de una cascada bioquímica de fototransducción, convierten la luz (fotones) en impulsos nerviosos que se trasmiten de célula en célula hasta llegar a la corteza visual cerebral, donde se interpretan y se transforman en imágenes. Este proceso hace que el ser humano  pueda comunicarse con el mundo que lo rodea y gracias a él es posible reconocer formas, tamaños, colores y movimiento. Sin embargo, a pesar de su capacidad fotorreceptora, la retina se ve afectada por el exceso en el tiempo de iluminación o por el tipo de luz artificial a la que está expuesta, lo que podría traer aparejado daños visuales o alteraciones en los ritmos biológicos.

María Ana Contín, investigadora del CONICET en el Centro de Investigación en Química Biológica de Córdoba (CIQUIBIC, CONICET-UNC) y docente dela Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC), junto con su grupo de investigación, estudian los mecanismos moleculares de muerte de células fotorreceptoras y las alteraciones en las señales eléctricas de la retina en un modelo de degeneración retinal producida por estimulación con luz LED blanca de baja intensidad.

Para verificar si la exposición a luz constante produce degeneración retinal, ratas albinas wistarmachos y hembras fueron expuestas a luz blanca, específicamente LED de 200 lux de intensidad, durante diferentes periodos de tiempo. El Lux es la unidad del Sistema Internacional de Unidades utilizado para medir el nivel de iluminación; en un ambiente iluminado con luz artificial, como por ejemplo una oficina,  la cantidad de lux utilizada suele ser entre 200 y 500.

“En los últimos 120 años, con el advenimiento de la luz eléctrica, la sociedad ha cambiado sus formas de exposición a ella; las ciudades están muy iluminadas durante la noche lo que produce exposición a fotones en horarios nocturnos, a veces sin quererlo. Este es el concepto de contaminación lumínica. Además, el uso de la nueva tecnología de televisores, computadoras y celulares hace que las personas tengan mayor hábito de exposición a luz LED artificial lo cual, por el tipo de iluminación, es también nocivo para la salud”, detalla.

Esta sobre-exposición puede acelerar procesos patológicos de origen genético como retinitis pigmentosa o degeneración macular relacionada con la edad, las cuales “comprenden un grupo de distrofias en las que en la mayoría de los casos, los bastones son los mas afectados, causando daños visuales que van desde disfunciones retinales leves, como ceguera nocturna o campo visual lateral reducido, hasta ceguera total”, explica la investigadora.

Los bastones son células más sensibles a la luz y son los receptores funcionales en condiciones de baja intensidad luminosa. La imagen visual que se obtiene se compone de tonos grises. Con respecto a los conos, hay tres variedades: L, M y S (sensibles a longitudes de ondas largas, medianas y cortas respectivamente). Son menos sensibles a las intensidades de luz baja que los bastones, y son los encargados de la visión en color (son sensibles para colores rojo, verde y azul).

Pero, ¿por qué el problema es con las luces LED?. Lo que sucede es que el espectro visible del ojo humano abarca las longitudes de ondas comprendidas entre los 400 (tonos azules) y los 700 (tonos rojos) nanómetros (nm). Por debajo de los 400 nm se encuentra el rango de lo que se conoce como luz ultravioleta y por encima de los 700 nm el de los infrarrojos.El problema- dice la investigadora- radica en que, dentro del rango visible, las longitudes de onda del azul son las de mayor energía y su impacto en la retina es más nocivo.

“En un mundo colonizado por las luces LED, la exposición es muy elevada y puede traer a futuro muchas consecuencias fisiológicas. Conociendo los mecanismos de muerte celular se pretende encontrar tratamientos de prevención y reversión de los mismos”, concluye Contín.

Por Jimena Naser

Blue light has a dark side

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Harvard Health Letter

Light at night is bad for your health, and exposure to blue light emitted by electronics and energy-efficient lightbulbs may be especially so.

Until the advent of artificial lighting, the sun was the major source of lighting, and people spent their evenings in (relative) darkness. Now, in much of the world, evenings are illuminated, and we take our easy access to all those lumens pretty much for granted.

But we may be paying a price for basking in all that light. At night, light throws the body’s biological clock—the circadian rhythm—out of whack. Sleep suffers. Worse, research shows that it may contribute to the causation of cancer, diabetes, heart disease, and obesity.

But not all colors of light have the same effect. Blue wavelengths—which are beneficial during daylight hours because they boost attention, reaction times, and mood—seem to be the most disruptive at night. And the proliferation of electronics with screens, as well as energy-efficient lighting, is increasing our exposure to blue wavelengths, especially after sundown.

Daily rhythms influenced by light

Everyone has slightly different circadian rhythms, but the average length is 24 and one-quarter hours. The circadian rhythm of people who stay up late is slightly longer, while the rhythms of earlier birds fall short of 24 hours. Dr. Charles Czeisler of Harvard Medical School showed, in 1981, that daylight keeps a person’s internal clock aligned with the environment.

The health risks of night time light

Study after study has linked working the night shift and exposure to light at night to several types of cancer (breast, prostate), diabetes, heart disease, and obesity. It’s not exactly clear why nighttime light exposure seems to be so bad for us. But we do know that exposure to light suppresses the secretion of melatonin, a hormone that influences circadian rhythms, and there’s some experimental evidence (it’s very preliminary) that lower melatonin levels might explain the association with cancer.

A Harvard study shed a little bit of light on the possible connection to diabetes and possibly obesity. The researchers put 10 people on a schedule that gradually shifted the timing of their circadian rhythms. Their blood sugar levels increased, throwing them into a prediabetic state, and levels of leptin, a hormone that leaves people feeling full after a meal, went down.

Even dim light can interfere with a person’s circadian rhythm and melatonin secretion. A mere eight lux—a level of brightness exceeded by most table lamps and about twice that of a night light—has an effect, notes Stephen Lockley, a Harvard sleep researcher. Light at night is part of the reason so many people don’t get enough sleep, says Lockley, and researchers have linked short sleep to increased risk for depression, as well as diabetes and cardiovascular problems.

The power of the blues

While light of any kind can suppress the secretion of melatonin, blue light does so more powerfully. Harvard researchers and their colleagues conducted an experiment comparing the effects of 6.5 hours of exposure to blue light to exposure to green light of comparable brightness. The blue light suppressed melatonin for about twice as long as the green light and shifted circadian rhythms by twice as much (3 hours vs. 1.5 hours).

In another study of blue light, researchers at the University of Toronto compared the melatonin levels of people exposed to bright indoor light who were wearing blue-light–blocking goggles to people exposed to regular dim light without wearing goggles. The fact that the levels of the hormone were about the same in the two groups strengthens the hypothesis that blue light is a potent suppressor of melatonin. It also suggests that shift workers and night owls could perhaps protect themselves if they wore eyewear that blocks blue light. Inexpensive sunglasses with orange-tinted lenses block blue light, but they also block other colors, so they’re not suitable for use indoors at night. Glasses that block out only blue light can cost up to $80.

Less-blue light

If blue light does have adverse health effects, then environmental concerns, and the quest for energy-efficient lighting, could be at odds with personal health. Those curlicue compact fluorescent lightbulbs and LED lights are much more energy-efficient than the old-fashioned incandescent lightbulbs we grew up with. But they also tend to produce more blue light.

The physics of fluorescent lights can’t be changed, but coatings inside the bulbs can be so they produce a warmer, less blue light. LED lights are more efficient than fluorescent lights, but they also produce a fair amount of light in the blue spectrum. Richard Hansler, a light researcher at John Carroll University in Cleveland, notes that ordinary incandescent lights also produce some blue light, although less than most fluorescent lightbulbs.

What you can do

  • Use dim red lights for night lights. Red light has the least power to shift circadian rhythm and suppress melatonin.
  • Avoid looking at bright screens beginning two to three hours before bed.
  • If you work a night shift or use a lot of electronic devices at night, consider wearing blue-blocking glasses.
  • Expose yourself to lots of bright light during the day, which will boost your ability to sleep at night, as well as your mood and alertness during daylight.

May 1, 2012

Updated: September 2, 2015