光動力療法在根管消毒中的研究進展

吳亞楠 張莉

【摘要】 有效的根管消毒是根管治療成功的關鍵，而常規的機械化學清創很難完全消除根管內的感染微生物。尋找一種徹底有效的根管消毒方法至關重要。光動力療法（PDT）是由光誘導的微生物、細胞或分子的非熱失活，包括光敏劑（PSs）、光源以及氧三種組成成分，它是輔助清除根管內感染微生物的一種新型選擇。

【關鍵詞】 光動力療法 光敏劑 根管消毒 根管治療

[Abstract] Effective root canal disinfection is the key to successful root canal treatment， but conventional mechanochemical debridement is difficult to completely eliminate the microorganisms in the root canals. It is important to find a thorough and effective method of root canal disinfection. Photodynamic therapy （PDT） is the non-thermal inactivation of microorganisms， cells or molecules induced by light， including photosensitizer （PSs）， light source and oxygen， it is a new option to assist in the removal of microorganisms in root canals.

[Key words] Photodynamic therapy Photosensitizer Root canal disinfection Root canal treatment

First-author’s address： Binzhou Medical College， School of Stomatology， Yantai 264003， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.17.046

細菌感染是導致牙髓及根尖周組織炎癥發生發展的重要因素，感染的根管內含多種菌群，這些細菌多以生物膜的形式存在，加之根管系統復雜多變，從感染的根管系統中清除復雜的微生物是一項艱巨的任務。掃描電鏡已經證明和揭示了它們可以深達牙本質小管1 000 μm或更深，因此，普通的沖洗液很難達到這個深度，臨床上最常用的次氯酸鈉也僅能穿透牙本質小管60～150 μm[1]。為了提高根管系統的消毒水平，一些其他方法如光動力療法（PDT）被開發了出來。PDT是一種對硬組織或軟組織部位局部應用光敏化合物進行消毒或滅菌的方法，包括光敏劑（PSs）、光源和氧三個基本要素。近年來在口腔科被廣泛地應用于齲病、牙髓根尖周病、牙周病、黏膜病、口腔頜面部良惡性腫瘤和口腔癌前病變等[2]。在根管治療中雖然該方法單獨使用時的消毒效果具有爭議，但它已經被認為是一種有效的根管內標準抗菌輔助手段。本文主要就PDT的作用機制、根管消毒效果，以及影響消毒效果的相關因素展開綜述。

1 PDT的作用機制

光動力療法的機制是建立在光敏劑、光源和氧這三種無毒成分的基礎上，產生預期的效果[3]。主要有兩種分子反應機制，二者都依賴于細胞內的氧分子。在反應的第一階段，這兩種機制是相似的。大致過程是光敏劑進入細胞后，以與其吸收光譜相一致的波長照射，由于光子吸收，使藥物分子從穩定基態進入半衰期極短的不穩定激發態。被激發的單態化合物衰減回基態，以熒光的形式發光，或轉變成更長久的三態激發態T1。最后通過Ⅰ型和Ⅱ型機制在靶部位發生損傷作用。Ⅰ型反應—在激發的三重態T1中，光敏劑可以與它周圍的生物分子以氫原子或電子轉移的形式傳遞能量，從而導致自由基的形成。最初形成的自由基是以超氧陰離子電子自由基（O2-）的形式存在。這種自由基很容易與周圍分子進一步反應生成超氧化物-活性氧（ROS），從而破壞靶組織的細胞膜、蛋白質或DNA。Ⅱ型反應—處于三重態狀態的光敏劑，其能量直接轉移到處于基本能態的氧分子上。對于分子間這種直接能量的轉移是可能的，因為它們有相同的自旋。而通過這種方式激發的氧粒子—單態氧被合成。激發態單態氧具有極強的氧化性，可氧化諸如蛋白質、核酸、脂類等多種生物分子，并產生細胞毒性，造成靶組織的損傷作用[4]。

2 PDT應用于根管消毒的殺菌效果

目前關于PDT在根管消毒中的應用的研究多數僅局限于體外實驗，并已經證實了其有效性，而體內實驗相對較少。Pourhajibagher等[5]從128例就診患者中選取了36例根尖周炎病例進行菌株培養，經PDT后結果顯示感染根管中微生物多樣性和數量均顯著降低，表明PDT在感染根管內的抗菌活性方面也是有效的。同時他還收集了14例繼發/持續性根管感染的患者，PDT處理后同樣顯示根管內微生物的種類和數量的下降[6]。然而在當代牙髓學中，次氯酸鈉（NaOCl）仍然是金標準，因為它能夠破壞生物膜[7]。因此許多文獻報道顯示單純PDT的滅菌效果與次氯酸鈉的相當或更低[8-9]。PDT更多的是作為傳統根管消毒方法的輔助手段，并顯示出了良好的抗菌效果。Tennert等[10]以15 mg/mL的甲苯胺藍作為光敏劑，由100 mW的LED光源激活，以評估PDT、PDT聯合NaOCl或EDTA等處理后的人離體牙內糞腸球菌菌落變化，結果顯示單獨使用PDT可使糞腸球菌數量減少92.7%，PDT聯合NaOCl沖洗可使糞腸球菌減少99.9%，Hoedke等[9]的研究同樣證實了此結論;Ghorbanzadeh等[11]分別用機械化學清創術、機械化學清創術+PDT、機械化學清創術+激光消毒三種根管消毒方法評估對糞腸球菌生物膜的殺菌效果，結果顯示PDT組的生物膜減少率最高，并且對根管冠、中、根尖三分之一未成熟生物膜和成熟生物膜均有較好療效[9]。

3 影響PDT殺菌效果的相關因素

3.1 細菌的狀態及種類 微生物可以以浮游狀態或生物膜的形式存在，根管內微生物多以生物膜的形式存在，與浮游狀態下相比，這些復雜的、有組織的微生物對抗菌療法的抵抗力至少比浮游狀態下強1 000倍[12]。實驗證明浮游細菌比生物膜中的細菌對PDT更敏感。生物膜的細胞外聚合基質起到了屏障作用，從而阻止了抗菌劑滲透到生物膜內殺死微生物并進一步破壞生物膜，這是導致根管治療失敗的一個重要原因[13]。此外感染根管內的病原微生物是多種多樣的，包括厭氧菌、兼性厭氧菌、需氧菌的混合感染。厭氧革蘭陰性桿菌是初次根管感染中常見的分離菌，在治療根管中則以兼性厭氧革蘭陽性球菌和桿菌為主，如糞腸球菌、放線菌等。一般來說，與革蘭陰性菌相比，PDT對革蘭陽性菌的殺菌效果更好。這主要是因為在革蘭陽性菌中，胞質膜被相對多孔的肽聚糖層脂壁酸包圍，使PSs得以滲透。與之不同的是，革蘭陰性菌的細胞膜同時存在內膜和外膜，而外膜是通過表皮多糖層分離的。外膜在細胞和環境之間形成有效的滲透屏障，使細胞與環境的結合和滲透更加緊密，PSs難以滲透[14]。

3.2 PSs PSs是一種化學試劑，當被特定波長的光激活時，在分子氧存在下將光能轉移和轉化為化學反應，產生超氧化物或單態氧，并通過直接和間接的細胞毒性誘導細胞損傷[15]。因此，PSs被認為是PDT過程中的一個關鍵因素。在根管環境中使用的PSs的關鍵特性是，它們能夠吸收可見光中紅色部分的激光，因為這些波長的光能最大限度地穿透牙本質。大多數光敏劑在630～700 nm被光激活，相當于0.5～1.5 cm的穿透深度。PSs對不同種類的細菌的作用因其所攜帶的電荷不同而有所差異。通常情況下，陰離子或陽離子PSs可以強力破壞革蘭陽性細菌，而只有陽離子PSs，或陽離子PSs結合非陽離子PSs破壞革蘭陰性滲透屏障這種方式才能殺滅多重革蘭陰性菌[7]。因此可根據不同微生物感染而有針對性地選擇光敏劑，如果是革蘭陽性，可以同時使用陽離子和陰離子染料，如果是革蘭陰性，陽離子染料更有效。一般來說，光敏劑可以具有親水性、疏水性或兩親性，考慮到根管感染是革蘭陽性菌和革蘭陰性菌的混合感染，兩親性的PSs如甲苯胺藍O（TBO）和亞甲基藍（MB）似乎更適合用于根管治療的PDT[16]。此外，除了光敏劑的類型，其濃度也會影響消毒效果。

3.3 光源 PDT光源是影響消毒效果的另一重要因素，其基本要求是與PS（通常是波長最長的峰值）的激活光譜（電子吸收光譜）相匹配，并在這個波長產生足夠的光強度，通常是波長630～700 nm的低能量激光，功率小于500 mW，輸出功率可被精確調控，只產生局部效應，對機體損傷小，可以重復進行多次治療。臨床中最常用的PDT光源有：廣譜燈、激光器和發光二極管（LED）燈[17]。廣譜燈如金鹵燈等，輻射光譜寬，可進行光譜過濾以匹配任何PSs，但其光能損耗使其效率受限[17]。激光器如Er：YAG激光與Nd：YAG激光在根管消毒中顯示出了良好的抗菌效果，但功率高，產熱多，可能會通過產熱對周圍組織造成不可逆的損傷，如牙骨質損傷，牙根吸收、牙槽骨壞死和疼。研究表明，溫度升高5.5 ℃，持續照射1 min就可以導致不可逆的牙髓炎;當溫度升高16.6 ℃時，牙髓則全部壞死[18]。因此低功率、低成本的LED燈目前更受歡迎。Asnaashari等[19]用LED（630 nm）和半導體激光（810 nm）對用糞腸球菌感染的單根管離體牙進行照射，結果表明LED（630 nm）比半導體激光（810 nm）更能有效地降低糞腸球菌。應用于根管消毒的PDT光源輸出功率尚無統一，為40～220 mW[20]。文獻[5]的研究使用了下輸出功率為220 mW波長為635 nm光源光照60 s，結果表明，微生物多樣性和計數明顯下降。

3.4 預照射時間與劑量 從PSs進入根管系統到實際光激活所經過的時間稱為預輻照時間[21]。預照射時間也是PDT的關鍵因素之一，因為它允許PS穿透牙本質并發揮抗菌作用，有助于將PS留在細菌內，使其吸收更多，關于預照射仍存在爭議，現有數據顯示預照射時間為5～15 min。Soares等[22]報道，總體而言，PDT的療效隨著能量劑量的增加、菌懸液體積的減小以及輸出功率而統計學有顯著性差異。另外，基于根管的復雜形態，可以使用光纖直徑為200～1 000 μm的工作頭，這樣可以使光深達根尖，照射10 s～6 min，可提高消毒效果[23]。

4 優勢與缺點

PDT是一種冷光化學反應，對周圍組織不產生熱副作用。光敏劑對特定組織層具有選擇性吸收，光纖激光定向精確，靶組織損傷的高度選擇性。使用PDT作為常規根管消毒的輔助治療手段，不僅可以顯著降低根管內的細菌負荷，另外它對耐藥菌有效，反復治療也不易產生抗藥性[16]，這些都大大減少了患者的就診次數及醫生的椅旁操作時間。此外，PDT在減少一次性根管治療術后疼痛方面是有效的[24]，也可以提高根管治療后患牙保存率，以PDT作為輔助治療的牙齒，其10年保存率可高達97.33%（RCT）和93.67%（Rect）[25]。然而在臨床運用過程中同樣有一些不良事件被報道出來，例如光敏劑如TBO和MB等的使用會導致牙體變色[26]，并且在臨床上表現比較明顯。這可能是較長的預照射時間，使更多的光敏劑進入牙本質小管中，接近釉牙本質界而使牙體顏色變化明顯。此外光敏劑浸透牙本質表面，可能會形成玷污層，使牙本質小管閉塞，導致根管微滲漏，最終使充填材料與根管牙本質的結合強度降低[27]，從而降低了根管治療的成功率。

近年來的研究突出了PDT優良的抗菌潛力，雖然有實驗表明PDT的消毒效果不及傳統的化學機械清創術，但作為其輔助手段，PDT是一種良好的選擇。由于不同的實驗采用了不同的光敏劑、不同的輻照劑量和不同功率及波長的光源，因此，就臨床推薦的方案達成一致意見似乎還有很大的空間。綜合來看，目前需要進一步研究調整PDT方案或PSs配方，以優化PDT結果，另外還需要進行更多的體內研究從而為提高臨床根管治療成功率提供更堅實的研究基礎。

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（收稿日期：2020-12-16） （本文編輯：張爽）