Mimovizuální účinky světla: chronobiologická fototerapie

Souhrn

Mimovizuální účinky světla jako pokles melatoninu, posun cirkadiánní fáze nebo změna cirkadiánní amplitudy zprostředkuje méně známý typ fotoreceptoru – světlocitlivé gangliové buňky sítnice (ipRGCs), které jsou uzpůsobeny světelným podmínkám ve venkovním prostoru a umožňují savcům synchronizovat cirkadiánní rytmus na 24hodinovou periodu střídání dne a noci. Umělé osvětlení v budovách je z tohoto hlediska až na výjimky pod prahem účinku. S věkem navíc roste potřeba světla. Slabý světelný podnět může vést ke ztrátě synchronizace. Správně načasované (ranní) světlo potřebné intenzity (tisíce luxů) a vhodného spektrálního složení (chladný tón) může chybějící světelnou informaci doplnit a synchronizaci tak obnovit. Terapeuticky se jasné světlo používá například při léčbě deprese nebo sezónní afektivní poruchy. Jako opatření v rámci prostředí staveb nachází jasné světlo využití ve zdravotnictví i v sociálních službách.

Klíčová slova:
fototerapie – chronobiologie – světlocitlivé gangliové buňky – cirkadiánní rytmus – deprese – demence – Alzheimerova choroba

Úvod

Světlo nám umožňuje vidět, jde ruku v ruce s teplem a pochází z něj prakticky všechna energie v naší stravě. V oblasti mimovizuálních účinků světla však většina objevů spadá do posledních 40 let. Na sítnici byl kromě tyčinek a čípků objeven další fotoreceptor: světlocitlivé gangliové buňky (ipRGCs), a ukázalo se, že tyto neurony s obsahem fotopigmentu melanopsinu signalizují prostřednictvím odbočky ze zrakové dráhy (RHT) informaci o intenzitě okolního světla do suprachiasmatických jader (SCN) v hypothalamu. Zde u savců – včetně člověka – sídlí centrální hodiny organismu. Perioda tohoto genového oscilátoru by byla u mladého zdravého jedince bez synchronizace přibližně 24,2 hodiny (dříve se uvádělo 25,2 hodiny), avšak od rovníku až k vnějším okrajům mírného pásma se tento oscilátor každé ráno synchronizuje intenzivním světlem na počátek dne. Podle těchto ústředních biologických hodin se pak synchronizuje rytmus spánek/bdění a lokální hodiny jednotlivých orgánů. Hladina melatoninu, kortizolu či tělesná teplota mají v tomto 24hodinovém (cirkadiánním) rytmu své typické fyziologické průběhy – například hladina spánkového hormonu ve večerních hodinách narůstá, v noci je vysoká a ráno prudce klesá. Podobně se během dne periodicky mění například pozornost, reakční doba nebo fyzická či mentální výkonnost. Světlem synchronizovaný rytmus časových genů je zároveň rytmem lidské společnosti.

Mimovizuální účinky světla

V literatuře se můžeme setkat též s označením cirkadiánní, melanopické nebo chronobiologické či nevizuální účinky světla (angl. non-image forming effects of light). Největší měrou se na nich podílejí světlocitlivé gangliové buňky sítnice, ale nelze zanedbat ani vliv čípků, případně tyčinek. Patří mezi ně následující mechanismy⁽¹⁾:

Pokles melatoninu v noci: intenzivní světlo v nočních hodinách má za následek zastavení tvorby melatoninu v šišince a může být příčinou nespavosti. Viz níže: Světlo v noci.

Posun cirkadiánní fáze: pomocí jasného světla lze posunout fázi cirkadiánního rytmu o několik hodin vpřed nebo zpět. Závislost posunu na denní době aplikace světla vyjadřuje křivka fázové odezvy⁽⁴⁾ (PRC), viz obr. 1.

Změna cirkadiánní amplitudy: pravidelné osvětlování jasným světlem v ranních hodinách může obnovit nebo normalizovat průběh narušeného cirkadiánního rytmu.

Aktivace světlem: projekce jasného světla na sítnici rychle aktivuje pozornost a má prokognitivní účinek⁽⁵⁾.

Pupilární reflex: světlocitlivé gangliové buňky sítnice tvoří pomalou komponentu reflexu stahovaní zornic. Jeho změny u pacientů s Alzheimerovou chorobou by mohly mít diagnostické využití.

Kvantifikace

Světlocitlivé gangliové buňky jsou nejcitlivější na modrou složku světla v oblasti kolem 480 nm. Na této vlnové délce svítí například světelné diody modrých majáků sanitek. Podíl aktivující modré složky pro určité světlo vyjadřují indexy X_mel,D65⁽¹⁾ nebo A_c⁽²⁾, kterými lze přepočítat snadno měřitelné fotopické („vizuální“) luxy na intenzitu mimovizuálního podnětu. Například žárovkové světlo obsahuje jen asi třetinu modré složky ve srovnání s denním světlem o stejné intenzitě; nejrozšířenější zářivky pak přibližně polovinu.

S rostoucím věkem se na sítnici promítá stále menší procento dopadajícího světla, a proto je třeba intenzitu korigovat podle věku. Podle ⁽¹⁾ a ⁽³⁾ lze odvodit přibližný vztah pro korekční faktor ve tvaru k = 100 / (120 – 3 / 4 V), kde V je věk pacienta. V 90 letech je zapotřebí přibližně dvojnásobná intenzita než v 25.

Mechanismus působení světla na cirkadiánní rytmus začíná pracovat přibližně od osvětlenosti 1000 luxů na úrovni očí (+ korekce na věk). V praxi se často používají intenzity 10 000, 5000 a 2500 lx.

Prahová dávka pro spolehlivý účinek světla na cirkadiánní rytmus je 10 000 lx po dobu 20–30 minut. U nižších (avšak nadprahových) intenzit je expozice úměrně delší.

Světlocitlivé gangliové buňky jsou rozmístěny po celé sítnici s výjimkou slepé a žluté skvrny. Nejvíce se jich nachází v okolí žluté skvrny, méně koncentrované buňky na periferii sítnice mají rozměrnější světlocitlivé výběžky. Pro stimulaci stačí, aby se zdroj světla nacházel v zorném poli, není nutné se dívat přímo do světla. Je však třeba mít otevřené oči – přes zavřená víčka prochází jen zlomek procenta dopadající modré složky.

Již od prvních pokusů se světlem u sezónní afektivní poruchy v 80. letech se používají plnospektrální zářivky chladného denního tónu s výborným podáním barev (T_c > 5500 K, R_a > 90). Takové umělé světlo má potřebný podíl účinné modré složky a zároveň je uživatelům příjemnější než chladné světlo pro běžné osvětlování.

Světlo v přírodě

Polední intenzita vodorovné složky denního světla je u nás v létě přibližně 100 000 lx, v zimě jen asi 20 000 lx. Pro člověka ve vzpřímené poloze má význam svislá osvětlenost, která je velmi směrová vůči poloze Slunce, zahrnuje odraženou složku a i v zimě může dosahovat intenzity mnoha desítek tisíc luxů. Slunce vycházející na obzoru dává při jasné obloze osvětlenost přibližně 1000 lx. Pod širým nebem jsou tedy mimovizuální fotoreceptory po většinu dne hluboko v oblasti saturace. Do spodního patra lesa proniká kolem 2 % vnější osvětlenosti, zde jsou tedy fotoreceptory v saturaci jen po část dne.

Denní světlo v budovách

Pro moderní společnost je typický pohodlný způsob života, spojený s přemístěním člověka z otevřeného prostoru do budov, kam však proniká pouze několik procent intenzity slunečního světla v omezeném úhlu. Na novou výstavbu jsou sice kladeny poměrně přísné požadavky z hlediska minimálního činitele denní osvětlenosti, které však vycházejí z kvantity světla potřebné pro zrakové úkoly (stovky luxů), a nikoliv pro mimovizuální účinky (tisíce luxů). Zda bude dosaženo potřebné intenzity, tak záleží zejména na orientaci místnosti k jihu, velikosti oken, výšce parapetů a vzdálenosti pozorovatele od nich, na míře stínění (závěsy, záclony), odraznostech v interiéru a na okolní zástavbě. Denní světlo se navíc během roku mění, o zimním slunovratu má den pouhých 8 hodin, Slunce je na obloze nejníže a intenzita světla je minimální. Denní světlo ve stavbách tedy obecně nezaručuje potřebný mimovizuální podnět. Mnoho zdravotnických a sociálních zařízení se navíc nachází v historických budovách obklopených vysokými stromy, kde je příspěvek denního světla mizivý a bez umělého osvětlení naměříme na tvářích pacientů v poledne jen několik desítek luxů, hluboko pod hranicí cirkadiánního účinku. Chybějící světelný podnět pak může přispět k narušení cirkadiánního rytmu.

Umělé světlo v budovách

Při časové a klimatické nedostupnosti denního světla je třeba interiéry osvětlit světlem umělým – nejčastěji elektrickým. Požadavky na umělé osvětlení opět vycházejí z potřeby světla pro zrakové úkoly – „abychom viděli na práci a na cestu“. Například pro pokoje pacientů požaduje norma⁽⁶⁾ 100 lx na úrovni podlahy a 300 lx na čtení – z hlediska mimovizuálních účinků podprahové hodnoty, zvláště při použití neutrálních nebo teplých tónů světla s malým obsahem aktivující modré složky. Lepší situace je v kancelářích personálu, kde norma požaduje 500 lx a v prostorách pro vyšetřovací a léčebné úkony pak 1000 lx udržované osvětlenosti. Intenzita umělého osvětlení navrženého pro zrakové úkoly tedy ve většině interiérů nestačí pro aktivaci mimovizuálních účinků.

Světlo v noci

Při nízkých osvětlenostech v noci se uplatňuje zejména nevizuální mechanismus potlačení tvorby melatoninu a aktivace pozornosti světlem. Zorničky jsou ve tmě široce otevřené, a účinnost zachycení světla je proto vysoká. Ve věci bezpečné intenzity rušivého světla („cirkadiánní bezpečnosti“) prozatím nebylo dosaženo konsensu. Pravděpodobně půjde o zlomky luxu a bude záležet na spektrálním složení, na časovém průběhu i prostorovém rozložení rušivého světelného podnětu. Uvádí se, že vystavení intenzivnímu světlu během dne zlepšuje odolnost organismu proti rušivému světlu v noci. Ve zdravotnických a sociálních zařízeních je světlo v noci nezbytné, a to jak z důvodu péče, tak z důvodu bezpečnosti. Nedostatek světla během dne a rušivé světlo v noci přispívají k narušení cirkadiánního rytmu člověka.

Chronobiologické osvětlení (ChBO)

Z předchozích odstavců vyplývá, že denní ani umělé světlo v budovách většinou není pro účinky světla na cirkadiánní rytmus dostatečně intenzivní. Umělé osvětlení koncipované s přihlédnutím k mimovizuálním účinkům musí být schopné ve dne zajistit intenzitu 1000–2500 lx a co nejnižší „legální“ intenzitu v noci (např. 50 nebo i jen 5 lx). Při vysoké intenzitě působí přirozeně světlo chladného tónu, při slabém osvětlení jsou naopak příjemné tóny teplé. Taková svítidla obsahují několik druhů světelných zdrojů a v ideálním případě i řídicí jednotku s vestavěnými hodinami, která intenzitu a tón světla během dne plynule automaticky řídí podle vloženého algoritmu. Po zapnutí vypínače tedy svítidla „vědí“, kolik je hodin a jak mají v této části dne svítit. Jiné názvy jsou biodynamické, algoritmické či biologicky účinné⁽⁷⁾ osvětlení. Jedná se v podstatě o interiérové napodobení venkovních světelných podmínek určité části roku v potřebném měřítku. Takové osvětlení synchronizuje cirkadiánní rytmus, v zimě doplňuje slabý světelný podnět, ve večerních hodinách nebrání nástupu melatoninu a přispívá tak k dobré kondici svých uživatelů. Jedná se o úpravu v rámci techniky prostředí staveb, ale nikoliv o léčbu. Využití nachází od domácností až po prostory ve zdravotnictví a v sociálních službách. Zlepšení koncentrace při nočních směnách je však třeba vyvážit správnou spánkovou hygienou.

Chronobiologická fototerapie (ChBFT) v psychiatrii

Fototerapie jako metoda chronobiologické léčby představuje správně načasované působení světlem vhodné intenzity a spektrálního složení na člověka za účelem léčení deprese nebo úpravy rytmu spánek/bdění. Nachází využití při léčbě deprese, a to nejen sezónní, ale i nesezónní depresivní poruchy a bipolární poruchy. Má rychlejší nástup účinku (dny) než psychofarmaka (týdny), ale její účinek se v případě vysazení po několika dnech vytrácí, a je tedy nezbytná pravidelná aplikace. Rychlé zlepšení je následně stabilizováno medikací. Jedná se o relativně úspěšnou metodu: reaguje na ni 50–66 % pacientů s různými druhy depresí. Má rychlý nástup, typicky už první den. Do 5–7 dnů je zřejmé, pokud pacient na terapii nereaguje. U sezónní afektivní poruchy (SAD) má chronobiologická fototerapie srovnatelné výsledky s antidepresivy typu SSRI. Jiný název je terapie jasným světlem (BLT).

Indikace: sezónní deprese, nesezónní deprese, depresivní fáze bipolární poruchy. Jako adjuvantní terapie u schizofrenie, schizoafektivní poruchy a demencí včetně Alzheimerovy.

Kontraindikace: retinální dystrofie, makulární degenerace.

Relativní kontraindikace: manická fáze bipolární poruchy, pokud pacient neužívá stabilizátor nálady.

Nežádoucí účinky: iritace spojivek, nauzea, bolesti hlavy.

Podrobnosti viz Doporučené postupy psychiatrické péče IV od str. 191.

Terapie jasným světlem má v naší psychiatrické praxi tradici již od 80. let. Dnes ji v ČR používá řada psychiatrických pracovišť a léčbu hradí veřejné zdravotní pojišťovny jako výkon č. 35115, který zavedla úhradová vyhláška 326/2014 Sb.

Jasné světlo u pacientů s demencí

Studie⁽⁸⁾ ukázala, že jasné světlo zlepšuje kvalitu života klientů v zařízeních pro seniory, snižuje spotřebu hypnotik i náklady na noční personál. Na téma jasné světlo u klientů s Alzheimerovou chorobou byla již zpracována řada dílčích studií. Mezi nejčastěji uváděné přínosy jasného světla patří:

• úprava cirkadiánního rytmu,
• snížení agitovanosti,
• snížení zmatenosti,
• snížení frekvence syndromu západu slunce (sundowning),
• omezení podřimování během dne,
• zlepšení kvality spánku,
• zlepšení kognitivních funkcí,
• snížení problematického chování,
• zlepšení psychiatrických symptomů.

Některé studie zkoumají jasné světlo samostatně, jiné v kombinaci například s chůzí, cvičením, podáváním melatoninu, vitaminu B12 nebo dalšími postupy. Většina těchto studií se týká počátečního a středního stadia onemocnění. Prakticky všechny studie od 90. let až po současnost uvádějí, že je třeba problematiku dále zkoumat. Metastudie Cochranovy knihovny⁽⁹⁾ uvádí: „Pro opodstatnění užití terapie jasným světlem u osob s demencí není dostatek důkazů. Další výzkum by se měl zaměřit na opakovatelnost předkládaného účinku na zlepšení běžných denních činností a na určení biologického mechanismu, jak terapie jasným světlem tohoto zlepšení dosahuje.“ Některé novější studie⁽¹⁰⁾ také poukazují na skutečnost, že pro použití jasného světla u pacientů s demencí nejsou dosud ustáleny standardní postupy.

Velkou předností jasného světla jsou minimální nežádoucí účinky – pouze v podobě iritace spojivek, nauzey nebo bolesti hlavy, a to jen po dobu několika dnů, než se klient adaptuje na vyšší intenzitu světla. Pokud klient dlouhodobě nevychází ven, je třeba intenzitu zvyšovat postupně.

Ačkoliv Alzheimerova choroba nevratně poškozuje mozek, u komorbidit (deprese, narušení cirkadiánního rytmu, delirium) je v některých případech možné zlepšení pomocí jasného světla. Kazuistiky (některé prozatím nepublikované) ukazují, jak překvapivých výsledků lze doplněním světelného stimulu dosáhnout.

Přínos jasného světla pro konkrétního klienta závisí na průběhu jeho onemocnění, na dosavadních světelných podmínkách, stavu jeho zrakového aparátu i na toleranci jasného světla. Průběh Alzheimerovy choroby je vysoce individuální, u různých pacientů jsou jednotlivá mozková centra postihována v různé míře, tempu i pořadí. Statisticky je obtížné předpovědět, zda pro konkrétního klienta bude jasné světlo přínosem. Díky minimálním nežádoucím účinkům a při respektování kontraindikací (viz ChBFT v psychiatrii) lze přínos pro konkrétního pacienta ověřit experimentálně – pouze s rizikem případného krátkodobého nepohodlí.

Jasné světlo v současnosti nabízí v ČR několik progresivních zařízení pro klienty s demencí, nejčastěji v podobě chronobiologického osvětlení společenských prostor nebo pokojů klientů.

Technické vybavení

Nejrozšířenější jsou přenosná stolní a mobilní stojanová svítidla k lůžku. Rozměry svítící plochy bývají cca 30 × 60 cm a příkon do 100 W. Výrobci obvykle uvádějí vzdálenosti od svítidla, ve které intenzita osvětlení dosahuje 10 000 lx, ta bývá několik desítek centimetrů a odpovídá době aplikace 30 minut. Výhodou těchto výrobků je mobilita, díky níž je lze postupně použít u více uživatelů. Po dobu aplikace však uživatele do značné míry omezují v pohybu.

Stropní svítidla s jasným světlem pro trvalou instalaci nacházejí uplatnění jak na pokojích klientů, tak ve společenských prostorách, kde tvoří výrazné světelné prostředí. Intenzity bývají v řádu několika tisíc luxů v úrovni očí a předpokládaná doba pobytu/provozu je několik hodin denně.

K dalším prostředkům patří světelné brýle, čepice se světelným štítkem, světelné stoly, mobilní svítidla nad lůžko nebo experimentální zařízení pro aplikaci vysoce intenzivního světla přes zavřená víčka.

Energetická náročnost

Svítidla s jasným světlem poskytují několikanásobně vyšší intenzitu než běžné osvětlení vnitřních prostor. U přenosných svítidel jsou náklady na energii v řádu desítek haléřů na aplikaci. U pevných instalací lze uvažovat příkon 0,5 kW na jednoho uživatele při provozu několik hodin denně. Větší potřeba světla je v zimních měsících, kdy osvětlení přispívá k vytápění prostor. V létě, kdy by naopak zvyšovalo spotřebu chlazení, je jeho využití minimální.

Závěrem

Jasné světlo má v péči o klienty s demencí své místo. Díky minimálním nežádoucím účinkům nic nebrání jeho širšímu nasazení v rámci zlepšení prostředí pro pobyt klientů. Fotobiologická bezpečnost je již řadu let součástí posuzování shody svítidel před uvedením na trh. Svítidla pro aplikaci jasného světla jsou na trhu k dispozici. Tolik žádané standardní postupy pro použití jasného světla může přinést pečlivé zpracování zkušeností z praxe, pro kterou hovoří jak potenciální benefity, tak minimální nežádoucí účinky.

Ing. Antonín Fuksa

Ing. Antonín Fuksa

e-mail: fuksa@nasli.net

Je autorizovaným inženýrem v oboru techniky prostředí staveb se specializací na elektrotechnická zařízení a věnuje se vývoji inteligentních svítidel a projektování osvětlení. Dlouhodobě se zabývá mimovizuálními účinky světla a méně probádanými oblastmi světelné techniky.