PHOTOBIOLOGY of the HUMAN LENS

PHOTOBIOLOGY of the HUMAN LENS

Joan E. Roberts
Fordham University, Department of Natural Sciences
113 West 60th Street, New York City, NY 10023

Introducción
La función principal del cristalino humano es enfocar la luz sin distorsión sobre la retina. Mientras que las propiedades de transmisión de la mayoría de los componentes del ojo son estables, las propiedades de transmisión del cristalino cambian a lo largo de la vida, como se ve en la Figura 1.,

Figura 1. Los cambios en la lente humana a lo largo de la vida. En la foto están al nacer, 40 años y 80 años.

La exposición a la luz intensa del sol puede representar un peligro particular para el cristalino del ojo, y conducir a la formación de una catarata , que afecta la visión., Tanto la exposición UV-A como UV-B son factores de riesgo importantes para la inducción de una catarata, especialmente en las personas mayores de 70 años, porque con la edad la capacidad del ojo para protegerse contra el daño de la luz se ve comprometida. La exposición a la radiación UV por la reflexión del agua, la arena o la nieve es particularmente dañina para el cristalino del ojo .además de la radiación UV sola, hay muchos tintes, medicamentos y medicamentos a base de hierbas que en presencia de luz visible y radiación UV pueden inducir una catarata . Esta reacción fototóxica causa una catarata muy temprana ., cualquier modificación en la claridad de la lente degradará la calidad de la imagen presentada a la retina, y afecta en gran medida la percepción visual. En este módulo, aprenderemos sobre la fotoquímica y la fotobiología del cristalino, y cómo estas propiedades afectan no solo a la retina, sino a la salud humana en general . estructura de la parte frontal del ojo (segmento Anterior) el ojo humano está compuesto por varios compartimentos, como se ve en la Figura 2. La capa más externa contiene la esclerótica, cuya función es proteger el globo ocular, y la córnea, que enfoca la luz entrante en el cristalino., Debajo de esta capa está la coroides que contiene el iris, que se conoce como la uvea. Esta región contiene melanocitos, que contienen el pigmento melanina, cuya función es evitar la dispersión de la luz. La abertura en el iris, la pupila, se expande y se contrae para controlar la cantidad de luz entrante. El iris y la lente están bañados en el humor acuoso. El humor acuoso es un líquido que sirve como un sistema circulatorio transparente (lo que hace el flujo sanguíneo en los tejidos no transparentes)., No solo mantiene la presión intraocular, sino que también proporciona nutrición al cristalino y la córnea, y elimina los desechos y desechos de estos tejidos oculares. El humor acuoso contiene altas concentraciones de varios antioxidantes. La lente se coloca detrás del iris. La función del cristalino es enfocar la luz sin distorsión sobre la retina, que se encuentra en la parte posterior del ojo (segmento posterior) .

Figura 2. La estructura del Ojo Humano.,
La estructura de la lente humana
La estructura de la lente humana se ve en la Figura 3. La lente es un órgano transparente situado detrás de la córnea y el iris . El borde exterior del cristalino consiste en una sola capa de células epiteliales y una membrana que cubre todo el órgano . Las células epiteliales del cristalino no se dividen excepto cuando se someten a reparación. Algunas células epiteliales pierden sus núcleos y otros orgánulos, y se convierten en células de fibra de lente . Estas células de fibra de lente están llenas de una solución de proteína al 30%, conocida como proteína de lente citosol (soluble)., Debido a que hay poco recambio de proteínas en las células de la fibra del cristalino, el daño a la proteína del cristalino se acumula a lo largo de la vida.

Figura 3. La estructura de la lente humana.
sutura y Ecuador son términos anatómicos en Oftalmología. Sutura significa las costuras de la lente. Los patrones de sutura se vuelven más complejos a medida que se agregan más capas de fibras del cristalino a la parte externa del cristalino. Ecuador significa el borde de la porción más grande de la lente (similar al ecuador en un globo terráqueo).,

¿cuándo es la luz dañina para la lente humana?
aunque la luz ambiental es principalmente benigna, hay varias condiciones bajo las cuales la exposición a la luz ambiental se vuelve dañina. Para determinar si la luz es perjudicial, uno debe considerar los siguientes factores: intensidad, longitud de onda, sitio de daño, tensión de oxígeno, cromóforos, sistemas de defensa y mecanismos de reparación.
Intensidad. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz, más probable es que dañe el ojo. La luz que normalmente no puede ser dañina puede causar daño agudo si es lo suficientemente intensa., Por ejemplo, es bien sabido que el ojo puede ser dañado (temporal o permanentemente) por la exposición a la luz solar reflectante de la nieve (ceguera a la nieve), o por mirar el sol durante un eclipse . Hay un aumento de la radiación UV con un adelgazamiento de la capa de ozono protectora . Del mismo modo, el ojo puede sufrir daños de fuentes de luz artificial que emiten UV-A O UV-B . El daño lumínico acumulado es el resultado de una exposición menos intensa durante un período de tiempo más largo, y a menudo es el resultado de una pérdida subyacente de protección relacionada con la edad . longitud de onda., La radiación ambiental, del sol o de fuentes de luz artificial, contiene cantidades variables de luz UV-C (100-280 nm), UV-B (280-315 nm), UV-A (315-400 nm) y visible (400-700 nm). Cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la energía y, por lo tanto, mayor será el potencial de daño biológico. Sin embargo, aunque las longitudes de onda más largas son menos energéticas, penetran el ojo más profundamente .para que ocurra una reacción fotoquímica, la luz debe ser absorbida en un tejido ocular particular., El ojo primate / humano tiene características de filtrado únicas que determinan en qué área del ojo se absorberá cada longitud de onda de luz. La radiación UV por debajo de 295 nm se filtra para que la córnea humana no llegue al cristalino. Esto significa que las longitudes de onda más cortas y energéticas de la luz (todos los UV-C y algunos UV-B) se filtran antes de que lleguen a la lente humana. La mayoría de la luz UV es absorbida por la lente, pero el rango de longitud de onda exacto depende de la edad. En los adultos, el cristalino absorbe el UV-B restante y todo el UV-A (295-400 nm), y por lo tanto solo la luz visible llega a la retina., Sin embargo, el lente humano muy joven transmite una pequeña ventana de luz UV-B (320 nm) a la retina, mientras que el lente anciano filtra gran parte de la luz visible azul corta (400-500 nm). La transmisión también difiere con las especies; las lentes de los mamíferos que no son primates transmiten radiación UV de más de 295 nm a la retina .sitio del daño de la luz a la lente. La lente se compone de dos partes que son más susceptibles al daño: las células epiteliales (externas) y la membrana de fibra (interna). Las células epiteliales controlan el transporte al cristalino., Tienen contacto directo con el humor acuoso, y son más vulnerables a daños fototóxicos. El daño a estas células comprometería fácilmente la viabilidad de la lente . La membrana de la fibra puede dañarse fotoquímicamente a través del daño a los lípidos y / o a la principal proteína intrínseca de la membrana .

Las reacciones fototóxicas pueden conducir a una modificación del ADN y ciertos aminoácidos (histidina, triptófano, cisteína) y/o una unión covalente del sensibilizante a las proteínas del cristalino citosol ., Los cromóforos unidos covalentemente pueden actuar como sensibilizadores endógenos y producir una sensibilidad prolongada a la luz. Además, hay una modificación no inducida fotoquímicamente de las proteínas del cristalino asociadas con la diabetes . Se ha encontrado que una alta concentración de glucosa conduce a la glicosilación de los grupos epsilon-amino de los residuos de lisina. Todos estos tipos de daño resultarán en un cambio en el índice de refracción del material del cristalino, lo que llevará a la agregación y, en última instancia, a la opacificación (cataractogénesis) ., Una técnica recientemente desarrollada (ScanTox) mide cambios muy tempranos en la calidad óptica (enfoque) de la lente, incluso antes de que el daño cause la opacificación de la lente .
Cromóforos. Un cromóforo es una sustancia que absorbe la luz. Un cromóforo ocular puede ser un compuesto endógeno presente naturalmente en el ojo, o un agente exógeno que ha pasado a través de las barreras sangre-oculares y penetrado a un sitio en particular. Para que la luz dañe la lente, primero debe ser absorbida por un cromóforo ubicado en algún compartimento de la lente.,a) cromóforos endógenos (naturales) en el cristalino humano. Los cromóforos en la lente humana cambian a lo largo de la vida como se ve en la figura 4a y b. en realidad hay poco daño al ojo humano por la luz antes de la Edad Media. Esto se debe a que la lente humana adulta contiene cromóforos amarillos (3-hidroxiciureninas) que absorben la luz, pero liberan la energía antes de que tenga la oportunidad de causar algún daño ., Por lo tanto, los cromóforos quinureninos presentes en el cristalino humano adulto no solo son seguros, sino que sirven para proteger la retina al filtrar la radiación UV, evitando así que llegue y dañe la retina . Después de la mediana edad, una enzima (quinurenina amino transferasa), producida en cantidades crecientes, convierte los cromóforos protectores (3-OH quinurenina y su glucósido) en cromóforos destructivos, ácido xanturénico y glucósido xanturénico . Cuando estos compuestos xanturénicos absorben la luz, producen especies reactivas de oxígeno (oxígeno singlete y/o superóxido) , que dañan las proteínas del cristalino ., Otro cromóforo, n-formil quinurenina, formado a partir de la fotooxidación continua del triptófano endógeno , también produce oxígeno singlete y superóxido, que dañan las proteínas del cristalino . Por lo tanto, el ácido xanturénico y la N-formil quinurenina son probables candidatos para los cromóforos responsables de la formación de cataratas relacionadas con la edad.

Figura 4a. Cambios Relacionados con la edad en el hombre de la Lente. A medida que la lente envejece, sus cromóforos cambian el color del ojo humano de claro (medio) a amarillo (arriba a la derecha)., Como resultado de los cambios de envejecimiento en el cristalino humano se produce una opacidad del cristalino, que se conoce como una catarata (arriba a la izquierda). Las lentes de vaca (parte inferior) y otros no primates tienen lentes transparentes durante toda la vida.

Figura 4b. El cambio en derivados de triptófano en el hombre de la lente con la edad. Tenga en cuenta el cambio en la mediana edad. Para obtener más información, consulte el texto anterior.

b) xenobióticos o cromóforos exógenos en el cristalino., La radiación UV-B O UV-A intensa o acumulada causa daños directos a la lente humana. Sin embargo, en presencia de un medicamento activado por la luz (fotosensibilizado), medicamentos a base de hierbas (hipericina en la hierba de San Juan) o nanopartículas, los pacientes están en peligro de lesiones oculares mejoradas por la radiación UV ambiental y la luz visible ., La medida en que un producto químico en particular es capaz de producir efectos secundarios fototóxicos en el ojo depende de varios parámetros que incluyen: 1) la estructura química; 2) Los espectros de absorción del fármaco; 3) unión del fármaco al tejido ocular; y 4) la capacidad de cruzar las barreras sangre-oculares. cualquier compuesto que tenga una estructura de anillo tricíclico, heterocíclico o porfirina es un cromóforo ocular potencial si tiene absorbancia por encima del corte de la córnea (>295 nm). Cuando estos sensibilizadores exógenos (externos) se unen a los tejidos oculares (p. ej.,, proteínas del cristalino), su tiempo de retención en el cristalino se extiende, y el peligro potencial que representan se mejora. Las sustancias que son anfifílicas o lipofílicas son capaces de cruzar la mayoría de las barreras lenticulares . El cristalino es alimentado por el humor acuoso, y es relativamente difícil para una sustancia pasar a través del humor acuoso al cristalino por ingestión. Sin embargo, una vez en la lente, también es difícil eliminar la sustancia extraña.tensión de oxígeno. La tensión de oxígeno en la lente es muy baja, pero es suficiente para que ocurra la fotooxidación . sistemas de Defensa., La lente tiene un sistema de defensa muy eficiente contra el daño de la luz y la radiación. El cristalino contiene enzimas antioxidantes (superóxido dismutasa (SOD) y catalasa), y antioxidantes (vitamina E, C, luteína, glutatión) que sirven para protegerlo contra el daño oxidativo y fotoinducto . Desafortunadamente, la mayoría de estos antioxidantes y enzimas protectoras disminuyen a partir de los cuarenta años de edad , dejando el cristalino indefenso contra el daño de la luz.reparación., Las células epiteliales del cristalino periférico son capaces de reparar los enlaces cruzados de ADN inducidos por UV-B (dímeros de pirimidina ciclobutano y pirimidina-pirimidona 6-4) , pero cualquier exposición adicional a UV-a interfiere con la reparación celular. Como hay poco recambio de proteínas del cristalino, el daño a las proteínas del cristalino se acumula .mecanismo de daño de la luz a la lente fotooxidación. La luz intensa puede inducir daño directo al ADN, pero con una luz menos intensa, el ojo se daña a través de una reacción de fototoxidación., En las reacciones de fotooxidación, un cromóforo en el ojo absorbe la luz y oxida ciertos aminoácidos y / o ácidos nucleicos, lo que resulta en daño a todo el cristalino. El cromóforo puede ser endógeno (natural) o exógeno (fármaco, medicamento a base de hierbas o nanopartícula que se ha acumulado en el ojo). La absorción de la luz excita el cromóforo a un estado singlete excitado, que luego se somete a un cruce entre sistemas, y alcanza el estado triplete., En su estado triplete, el cromóforo procede a través de un mecanismo de tipo I (radical libre) o tipo II (oxígeno singlete) para causar el daño eventual . La fotooxidación puede ocurrir en la lente por un mecanismo de Tipo I O tipo II, o ambos simultáneamente.los cromóforos es la lente humana adulta puede ser excitada por la luz, pero bajan de este estado excitado (singlete) muy rápidamente (nanosegundos), por lo que no tienen la posibilidad de alcanzar un estado triplete, de hacer intermediarios activos dañinos, y por lo tanto de causar daño en la lente ., Sin embargo, cuando los fotosensibilizadores eficientes, el ácido xanturénico, su glucósido y N-formil quinurenina están presentes en la lente y la lente está expuesta a la radiación UV, son capaces de hacer trillizos con suficiente eficiencia (rendimiento cuántico) para formar especies reactivas de oxígeno y radicales libres, que a su vez dañan el tejido de la lente.Cataratas mecanismo de inducción. La lente humana es normalmente transparente hasta la edad de 40 años. Esta transparencia es el resultado de la disposición ordenada de las fibras proteicas en el cristalino normalmente ., A la mediana edad, la protección enzimática y antioxidante natural del ojo contra los rayos UV-A y UV-B se pierde al mismo tiempo que aumenta la producción de cromóforos fotoquímicamente activos. A medida que la lente absorbe la luz ambiental, estos cromóforos son fotoactivados y producen especies reactivas de oxígeno, como oxígeno singlete y superóxido. Las proteínas del cristalino (alfa, beta, gamma CRISTALINA) se desnaturalizan, o las células epiteliales del cristalino ya no pueden reparar el daño causado por la luz ambiental ., A la edad de 70 años, el cristalino finalmente se vuelve lo suficientemente nublado como para obstruir la visión, y se dice que el individuo tiene una catarata relacionada con la edad (figura 4a) . las cataratas también pueden desarrollarse a una edad mucho más temprana cuando la persona está expuesta a radiación UV excesiva, humo de cigarrillo y contaminación del aire, medicamentos fotosensibilizantes, esteroides o tiene diabetes. La causa subyacente de estas cataratas también es el daño oxidativo (y fototoxidativo) a las células epiteliales del cristalino y a las proteínas del cristalino., el mantenimiento de la integridad estructural es particularmente importante para la proteína alfa-cristalina del cristalino debido a su papel como acompañante molecular. la Alfa-cristalina es un agregado de dos polipéptidos, A y B, que son pequeñas proteínas de choque térmico que previenen la agregación de proteínas inducida por UV (A y B). Al agregar y eliminar la producción de Alfa-cristalina de las células epiteliales del cristalino, Andley ha demostrado que la Alfa-cristalina confiere protección natural contra el daño por radiación UV a las células del cristalino . la Alfa-cristalina también protege contra la inhibición UV-A de la actividad enzimática protectora (catalasa)., Los sitios específicos de daño a la Alfa-CRISTALINA con cromóforos endógenos y exógenos se han detectado mediante espectrometría de masas y técnicas de anticuerpos monoclonales . Los productos finales de glicación avanzada que se encuentran en las cataratas diabéticas también pueden comportarse como fotosensibilizadores y oxidar las proteínas del cristalino .

toda oxidación endógena o exógena desnaturaliza las proteínas del cristalino, reduce su solubilidad y, finalmente, resulta en una pérdida de transparencia en el cristalino, lo que se conoce como Catarata., Una catarata que ocurre en la porción central del cristalino se conoce como Catarata nuclear, y las que ocurren en la periferia del cristalino se conocen como cataratas corticales. Una forma más rara de catarata se conoce como cataratas subcapsulares posteriores. Esta catarata generalmente se cree que está vinculada genéticamente, y ocurre al nacer o a una edad muy temprana, o como resultado del uso de esteroides o la diabetes .diagnóstico y tratamiento., Las cataratas pueden diagnosticarse fácilmente con el uso de una» lámpara de hendidura » o un oftalmoscopio, que examina el cristalino por falta de Transparencia y determina la ubicación y la densidad de la opacidad. Además, una prueba de agudeza visual determinará qué tan bien puede ver el paciente con la catarata. Cuando se observa una pérdida significativa de la visión, el tratamiento consiste en extirpar quirúrgicamente el cristalino. Esta lente es comúnmente reemplazada por una lente plástica intraocular que contiene un filtro UV-A y UV-B, Para reemplazar el poder de enfoque y filtrado perdido por la eliminación de la lente de catarata ., Recientemente, las lentes artificiales intraoculares han estado disponibles con filtros cortos de luz azul (400 – 440 nm), que son importantes para proteger a los ancianos de la degeneración macular y a los diabéticos de la retinopatía diabética .prevención. Si evita que la luz excite cromóforos endógenos o exógenos en el cristalino, o bloquea el daño de las especies reactivas de oxígeno con antioxidantes, puede prevenir o retardar la formación de cataratas .a) Gafas de sol. Tanto UV-A como UV-B no son necesarios ni para la vista ni para desencadenar la respuesta circadiana., Por otro lado, tanto UV-A como UV-B inducen la formación de cataratas. La eliminación de estas longitudes de onda de la exposición ocular reducirá en gran medida el riesgo de formación temprana de cataratas. Esto se puede hacer fácilmente usando gafas de sol que bloquean las longitudes de onda por debajo de 400 nm . Sin embargo, debido a la geometría del ojo, estas gafas deben ser Gafas de sol envolventes para evitar que la radiación UV reflectante llegue al ojo.
B) antioxidantes desde que la edad disminuye la producción normal de antioxidantes en el cristalino , se ha sugerido aumentar el consumo de frutas y verduras para reemplazar la protección faltante ., Además, se ha demostrado que la suplementación con vitaminas y antioxidantes, incluidas la vitamina E y la luteína, es particularmente eficaz para retardar las cataratas relacionadas con la edad .los suplementos deben ser equilibrados, porque las reacciones de oxidación dañinas pueden ocurrir si solo se toma un antioxidante . En el AREDS (Age-Related Eye Disease Study) patrocinado por el National Eye Institute, se encontró que el exceso de betacaroteno estaba relacionado con un mayor riesgo de cáncer de pulmón para los fumadores, mientras que el exceso de Zn estaba relacionado con un mayor riesgo de cáncer de próstata., Como la luteína, no el betacaroteno, es el carotenoide natural que se encuentra en el cristalino y la retina , la suplementación con un exceso de betacaroteno no solo es innecesaria para proteger el ojo, sino que es peligrosa para los fumadores y exfumadores. Otros productos naturales como el té verde, que contiene polifenoles (galato de epigalocatequina) y Ashwagandha (raíz de Withania somnifera) utilizados en la medicina ayurvédica tradicional también se ha demostrado que retardan el daño inducido por la luz en el cristalino .

conclusiones
La formación de cataratas es una enfermedad relacionada con la edad. La mayoría de las personas formarán una catarata cuando tengan 70 años de edad., Tanto UV-A como UV-B son factores de riesgo muy importantes para el desarrollo de cataratas tempranas. Además, la exposición incluso a la luz visible en presencia de esteroides, medicamentos fotosensibilizantes, cosméticos y nanopartículas puede aumentar dramáticamente el riesgo de cataratas tempranas. Evitar la radiación UV con gafas de sol adecuadas y la combinación adecuada de suplementos antioxidantes oxidantes y reductores puede ayudar a retardar o eliminar este trastorno cegador en los ancianos.

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