Prevention of chronodisruption through circadian friendly lighting obtained by spectral modulation = Prevención de la cronodisrupción mediante iluminación circadiana saludable obtenida por modulación espectral

Abstract

OBJETIVOS Desarrollar luz nocturnal respetuosa con el sistema circadiano, explorando los efectos no visuales de la luz, validando la metodología para evaluar cronodisrupción. Objetivos específicos: 1. Investigar efecto antiproliferativo de la melatonina en un amplio rango de concentraciones en melanoma y fibroblastos 2. Validar sistema de monitorización circadiana ambulatoria, proponeiendo un nuevo marcador de fase equivalente al DLMO. 3. Determinar la utilidad de la pupilometría para evaluar el efecto de la luz sobre el sistema circadiano y su posible relación con los ritmos de salida de este sistema. 4. Evaluar los efectos cronobiológicos de una luz nocturna, basada en tecnología LED, en la que se reemplaza la parte azul del espectro por longitudes de onda más cortas en un animal diurno (Octodon degus) y uno nocturno (Rattus norvegicus). METODOLOGÍA - Monitorización circadiana ambulatoria y análisis circadiano - Cuantificación de melatonina - Pupilometría - Monitorización actividad de rueda en modelos animales - Inmunohistoquímica CONCLUSIONES 1. La melatonina, a bajas concentraciones tuvo un efecto antiproliferativo sobre una línea celular de melanoma murino, mientras que protegió la viabilidad en el caso de los fibroblastos, no tumorales. Sin embargo, a altas concentraciones, tuvo mayor efecto antiproliferativo en la línea no tumoral. El mecanismo de acción, a altas concentraciones de melatonina, podría estar mediado por el incremento de ROS intracelular. 2. El método alternativo de actimetría (AA) desarrollado puede utilizarse para evaluar también la fase circadiana. La monitorización circadiana ambulatoria que integra este método alternativo de actimetría (que permite evaluar también la postura corporal), junto con el ritmo de temperatura de la muñeca y el patrón de exposición a la luz, constituye un buen método para evaluar el estado del sistema circadiano. 3. Se ha comprobado la utilidad del software desarrollado, PupiLabWare®, para procesar y analizar los datos obtenidos de pupilometría, registrándolo como propiedad intelectual. 4. La respuesta pupilar transitoria y sostenida son más intensas con las longitudes de onda de 460 a 490 nm, y con mayores flujos fotónicos. La sustitución de la luz azul por violeta debería, por tanto, considerarse para el diseño de nuevas fuentes de luz de uso nocturno. 5. La pupilometría constituye una técnica adecuada para predecir el estatus del sistema circadiano y la potencial eficacia de la luminoterapia, ya que la contracción pupilar en respuesta a luces monocromáticas de alrededor de 460 nm es mayor en aquellos sujetos con disrupción circadiana, evaluada a partir de los patrones de temperatura de la piel de la muñeca, actividad motora y exposición de la luz. 6. Una luz nocturna, obtenida reemplazando la parte azul del espectro por violeta (longitud de onda más corta) puede preservar el patrón de actividad diurna en un animal diurno (Octodon degus), pero no el patrón propio de un animal nocturno (Rattus norvegicus), indicando que este tipo de luz nocturna constituye una posible alternativa para su utilización por humanos, minimizando los efectos cronodisruptores de la luz durante la noche. CONCLUSIÓN GENERAL La cronodisrupción se puede medir fácilmente en humanos, con un bajo coste económico y de manera poco invasiva, utilizando un sistema de monitorización circadiana ambulatoria basada en la temperatura de la muñeca, la actividad motora, la postura corporal y la exposición a la luz, mientras que la pupilometría, como tal, constituye una herramienta útil a la hora de evaluar la calidad de la luz como sincronizadora del sistema circadiano. Una luz nocturna en la que se reemplace la parte azul del espectro por longitudes de onda más cortas sería útil para preservar la cromaticidad, evitando los efectos cronodisruptores de la luz azul durante la noche.

This thesis aims to develop a circadian friendly nocturnal light, through exploring non-visual effects of light, validating the necessary methodology to assess chronodisruption in humans. In order to pursue this final goal, the following specific objectives were established: 1. To confirm melatonin antiproliferative effect is also present under a wide range of concentrations tumor and non-tumor cell lines, clarifying its possible mechanism of action. 2. To validate a recent ambulatory circadian monitoring (ACM) system finding a DLMO-equivalent new phase marker. 3. To assess the usefulness of pupillometry for evaluating light circadian power and its possible relation with several circadian system outputs. 4. To evaluate the chronobiological effects on the diurnal Octodon degus and nocturnal Rattus norvegicus of a LED-based nocturnal light consisting of replacing the blue part of the spectrum with shorter wavelengths. METHODOLOGY - Ambulatory circadian monitoring and circadian analysis - Melatonin quantification - Pupillometry - Wheel running activity monitorization in animal models - Immunohystochemistry SPECIFIC CONCLUSIONS 1. Melatonin at low concentrations showed selective antiproliferative effects in tumor murine melanoma cell line, while protecting non-tumor murine fibroblast viability. However, at high concentrations, it produces more marked deleterious effects on non-tumor than in tumor cell line. A possible action mechanism points to the increase of intracellular ROS under high melatonin concentrations. 2. The alternative actigraphy method (AA), can also serve to assess also circadian phase since it presents a higher agreement rate and sensitivity for detecting sleep compared to the classical actigraphy method based on wrist acceleration detection and good correlation with the gold standard phase marker, the DLMO. The ambulatory circadian monitoring integrating this alternative actigraphy method which permits evaluate body position, together with wrist temperature, and light exposure, results in a good method to evaluate the circadian system status. 3. The usefulness of the developed software Pupilabware (R) to process and analyse pupillometry data has been proven and inconsequence, it has been registered in the copyright office. 4. Both transient and sustained pupillary light responses are more marked with wavelengths from 460 to 490 nm and with increasing photon fluxes. Total or partial substitution of blue by purple should be considered in the design of new nocturnal light sources. 5. Pupillometry constitutes a suitable technique to predict the circadian system status and the potential efficacy of light therapy since higher pupilar constriction in response to monochromatic blue lights around 460 nm is found when circadian disruption, assessed by wrist skin temperature, motor activity and light exposure patterns, is present. 6. A nocturnal light, obtained by replacing the blue part of the spectrum by violet (shorter wavelength) has proven to preserve the diurnal pattern in a diurnal animal (Octodon degus), while failing to maintain the circadian pattern in the a commonly used nocturnal rodent model (Rattus norvegicus), indicating that this kind of nocturnal light could constitute a circadian friendly light to be used by humans minimizing the chronodisruptive effects of light at night . GENERAL CONCLUSION Chronodisruption can be easy, inexpensive and unobtrusively measured in humans, using an ambulatory monitoring system based on wrist temperature, motor activity (based in tilt changes), body position and light exposure, while pupillometry, by its own, constitutes a useful tool to evaluate the quality of light as a circadian input. A nocturnal light consisting of replacing the blue part of the spectrum with shorter wavelengths would be able to preserve chromaticity while avoiding chronodisruptive effects of blue light during the night.