光动力疗法在口腔种植体周围炎治疗中的研究进展

曹飞 刘童斌 张晓明

【摘要】 光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）将光源、光敏剂以及氧气三者紧密结合发挥抗炎杀菌作用，同时对机体及组织的正常生命代谢活动无不良影响。PDT以因安全高效杀菌性及低毒副性等优势被越来越多地应用于口腔种植领域的治疗和研究。但PDT仍处于初级阶段，仍需要更多高质量的体内实验及临床研究来验证。本文以PDT的作用原理为基础，对PDT在口腔种植体周围炎治疗中抗炎和抗菌两方面的研究进展做一综述。为PDT在未来口腔领域的临床应用提供参考依据，并提出需要解决的相关问题。

【关键词】 光动力疗法 种植体周围炎 抗炎 抗菌

Research Progress of Photodynamic Therapy in Treatment of Peri-implantitis/CAO Fei， LIU Tongbin， ZHANG Xiaoming. //Medical Innovation of China， 2021， 18（27）： -181

[Abstract] Photodynamic therapy （PDT） combines light source， photosensitizer and oxygen closely to exert the anti-inflammatory and antibacterial effect， and has no adverse effect on the normal metabolism of the body and tissue. PDT is more and more used in the treatment and research of the field of oral implant because of its advantages such as safety， efficient sterilization and low toxicity. However， PDT is still in its infancy and more high-quality in vivo experiments and clinical studies are needed to verify it. Based on the action principle of PDT， this paper reviews the anti-inflammatory and antibacterial research progress of PDT in the treatment of Peri-implantitis. To provide a reference basis for the clinical application of PDT in the field of stomatology in the future， and put forward the related problems that need to be solved.

[Key words] Photodynamic therapy Peri-implantitis Anti-inflammatory Antibacterial

First-author’s address： Binzhou Medical University Hospital， Binzhou 256600， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.27.044

自骨整合理論发现并应用至今，口腔种植技术获得迅猛发展[1]。种植体周围炎是种植修复后最普遍的问题之一，其发生率为1%～47%[2]。钛金属自身不规则的表面结构易被细菌黏附聚集形成生物膜而破坏骨整合，并且可诱导宿主发生免疫炎症反应，从而引起种植体周围炎等相关感染，进而导致种植体修复失败乃至周围局部组织的病变坏死。所以抑制乃至杀灭种植体周围的细菌对种植义齿修复的成功起着决定性作用。目前传统治疗种植体周围炎的方法如机械清创疗法、化学药物疗法及抗生素疗法等无法彻底根除致病病因且极易对机体造成不可逆的损伤以及毒副作用。近年来光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）在治疗种植体周围炎中取得显著成效[3]。它通过光敏剂与特定波长的激光在氧气的参与下生成活性氧分子（reactive oxygen species，ROS），并与细菌作用产生超强的氧化反应，最终杀灭致病菌。此外PDT不仅具有杀菌性能，还可以通过灭活炎症因子来促进种植体周围炎症的愈合。

1 PDT的作用原理

1.1 PDT的组成 PDT的抗菌组成包括三种成分，即特定波长的光源、光敏剂以及氧气。PDT中应用较为广泛的光源为二极管激光器和发光二极管[4]。PDT的传统光敏剂有亚甲基蓝（methylene blue，MB）、甲苯胺蓝（toluidine blue O，TBO）等，近些年研究发现并合成新型的光敏剂如亚甲基蓝凝胶等[5]。氧气在PDT中发挥着关键作用，在氧气足够的条件下， PDT可产生大量的活性氧分子（ROS）进而导致致病菌的凋亡，使PDT发挥最佳的抗炎杀菌效果。

1.2 PDT的化学机制 光敏剂在有氧条件下吸收特定波长的光源后被激发，使光敏剂分子从基态（单线态）转变为多重态的电激发态（三重态）。其中激发的三重态光敏剂分子可发生两种类型（Ⅰ型和Ⅱ型）的化学反应[6]。Ⅰ型是三重激发态的光敏剂分子经过氢离子或电子转移进而与底物或溶剂相互作用最终生成自由基或自由基离子。带负电荷的自由基或自由基离子通过电子转移与氧气相互作用，生成活性氧化产物如超氧阴离子自由基（O2-）和羟离子自由基（OH-）。Ⅱ型中光敏剂的三重激发态直接与氧分子发生能量的转移进而生成具有细胞毒性的单线态氧（1O2），可导致细胞不可逆性损伤[7]。PDT作用中形成的活性氧是导致细菌裂解损伤的主要分子，Ⅱ型中所产生的1O2可直接与蛋白质、核酸、胞外聚合物等生物大分子发生超强氧化反应，导致细胞器及细胞膜等组织的损伤。最近Hamblin等[8]研究发现不依赖氧气的PDT，并将其化学机制命名为Ⅲ型，但是其中具体的化学原理和机制仍有待研究和验证。

1.3 PDT的抗菌机制 一是PDT产生ROS破坏致病菌中DNA的分子组成及結构，通过损坏细菌的遗传物质进而扰乱细菌的生长繁殖，最终达到抗菌杀菌作用。有研究表明，在PDT后发现细菌细胞质内部分质粒的DNA超螺旋结构消失，说明PDT不仅可以损伤致病菌中细胞核内的DNA遗传物质，还可损毁细胞质内的DNA结构[9]。二是PDT产生细胞毒性物质破坏细胞壁或细胞膜，从而导致细菌的内容物泄露或胞膜转运系统及胞膜酶活力的失活。Topaloglu等[10]发现PDT发挥作用分解细胞膜上的蛋白质及脂质是导致细菌裂解死亡的主要原因。

2 PDT在口腔种植体周围炎治疗中的应用

种植体表面菌斑生物膜的堆积及聚集可诱发机体产生促炎症因子及炎症细胞，进而引发种植体周围骨组织的吸收损坏，最终结局为种植体的脱离[11]。PDT能有效杀灭细菌并破坏菌斑生物膜来发挥显著的抗菌作用。另外PDT还可以通过灭活或者抑制炎症因子和炎症细胞而达到治疗种植体周围炎的效果。接下来重点介绍PDT在种植体周围炎治疗中抗炎和抗菌两大方面的作用。

2.1 抗炎方面 目前发现种植体周围炎龈沟液内的炎症因子与牙周炎的极为相似，无论从病因、发病机制，还是从诊断和治疗的角度来看种植体周围炎与牙周炎并无本质区别[12]。白细胞介素IL-1β和肿瘤坏死因子TNF-α是破骨细胞形成和骨吸收中最重要的两种细胞因子，是种植体周围炎的关键标志物，被用于种植体周围炎的早期诊断。

2.1.1 对炎症因子的作用 Longo等[13]通过MB和发光二极管（波长：660 nm，输出功率：35 mW，能量密度：74.2 J/cm2）介导的PDT治疗实验性大鼠的牙周炎，发现PDT可明显减少白细胞介素和肿瘤坏死因子等促炎性因子的产生。Luchesi等[14]用MB和二极管激光器（波长：660 nm，输出功率：60 mW，能量密度：129 J/cm2）介导的PDT治疗慢性牙周炎患者的结果显示PDT可减少IL-1β等炎症细胞水平。这与Andrade等[15]用二极管激光器（波长：660 nm，输出功率：40 mW，能量密度：90 J/cm2）和MB联合作用于重度慢性牙周炎患者的牙周袋内的结果相似，Andrade等[15]测得PDT能有效抑制IL-1β和TNF-α等炎症因子的表达从而促进炎症的消退。PDT可显著降低牙周周围组织的IL-1β和TNF-α的水平，进而减缓组织炎症的发生发展。另外PDT对其他炎症因子的作用效果还需要其他的理论和研究支持。

2.1.2 对炎症细胞的作用 巨噬细胞是关键的炎症细胞，可激发牙周周围正常组织的炎症反应和牙槽骨的吸收损坏，进而影响种植体的稳定性和周围组织的健康。Jiang等[16]通过动物实验研究发现MB和二极管激光器（波长：660 nm，输出功率：300 mW，能量密度：50 J/cm2）介导的PDT在牙周炎大鼠体外和体内均能诱导巨噬细胞的凋亡从而减少骨量的丢失，说明PDT可以通过诱导过度浸润的巨噬细胞凋亡来抑制炎症的进展。Jiang等[16]还发现应用10 μM的MB和40 J/cm2激光照射对半数以上的细胞（约50.36%）有杀伤作用，是光动力疗法最大限度促进细胞凋亡的最佳条件。他们通过进一步的研究发现PDT是通过线粒体caspase途径诱导THP-1巨噬细胞凋亡，为PDT诱导巨噬细胞凋亡提供了理论基础，说明PDT不是直接作用于巨噬细胞，而是通过直接作用于线粒体而间接作用于巨噬细胞发挥作用。研究证实，MB与线粒体有亲和力，与线粒体外膜的聚磷酸盐结合并对脂质和蛋白质造成分子损伤[17]。说明PDT可通过作用于光敏剂直接作用于线粒体上最终导致巨噬细胞的裂解死亡。

所以，PDT可通过有效灭活炎症因子和炎症细胞来控制炎症反应进而促进纤维结缔组织和骨组织的愈合。Malik等[18]指出增加PDT治疗的频率可减少细胞产生免疫炎症因子从而增强抗炎效果。但并未有充足的证据说明增加PDT的使用频率会对机体细胞及组织的正常生命活动不造成影响，所以PDT对炎症因子和炎症细胞的具体作用剂量和作用时间还需要进一步的实验研究验证。

2.2 抗菌方面 种植体周围炎和牙周炎的致病菌具有相似性，但是种植体周围炎的致病菌菌群比牙周炎更加复杂和多样[19]。种植体周围炎的致病菌种类繁多且致病能力各不相同，其中在种植体周围炎中常可分离出的主要致病菌有牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌和伴放线杆菌等[19-20]。其中具核梭杆菌在早期种植体周围炎中广泛存在，且在连接菌斑生物膜早期和晚期的致病菌定殖者中起桥梁作用。

Zhou等[21]用TBO和二极管激光器（波长：635 nm，输出功率：100 mW，能量密度：129 J/cm2）介导的PDT作用于种植体周围沟槽及基牙螺纹腔内，发现只在术后2周可有效减少牙龈卟啉单胞菌的数量，而在术后3个月则没有检测到该菌的减少。说明PDT抗菌作用可在短期内取得显著的效果，而在长期减少种植体周围细菌中发挥的作用十分有限。所以PDT可能是杀灭细菌的一种初级治疗措施，有必要进行临床研究来确定PDT的长期有效性。增加PDT的应用频率是否可以增强其长远效果还需要进一步的临床研究和验证。同时牙龈卟啉单胞菌的早期迅速减少可能是其内含有内源性的原卟啉，它可能是一种内部光敏剂，可增强PDT对牙龈卟啉单胞菌的作用效果。Park等[22]在体外动物实验中发现PDT可有效减少牙龈卟啉单胞菌和具核梭杆菌的数量，并可显著减轻大鼠的牙槽骨丢失和炎性细胞因子的产生。同时发现在0.33 mM的TBO存在下，最低光强为3 mW/cm2即可有效地杀灭牙龈卟啉单胞菌。对于具核梭杆菌而言，在0.33 mM TBO存在下，最小光强为60 mW/cm2即可提供有效的杀菌效果。该研究提供了TBO和发光二极管（波长：650 nm）介导的PDT发挥最佳杀菌效果所需要的精确光敏剂的量和光源强度的值，为PDT进一步的临床研究提供指导支持。但其他种类光敏剂介导的PDT发挥最佳抗菌效果有待其他相关实验研究。

Azizi等[23]将TBO和二极管激光器（波长：660 nm，输出功率：100 mW，能量密度：124.3 W/cm2）介导的PDT作用于接种牙龈卟啉单胞菌和伴放线杆菌的无菌钛牙科种植体上，发现两种细菌下降率接近98.3%。说明PDT治疗对牙科种植体上的细菌生物膜具有较高的杀灭作用。同时Azizi等[23]通过对比发现，PDT治疗后的种植体表面的扫描电镜图像没有显示出任何表面结构的改变或者差异。说明PDT不会对种植体表面造成潜在的损害和威胁。Park等[24]通过TBO和发光二极管（波长：650 nm，输出功率：90 mW，功率密度：60 mW/cm2）介导的PDT观察到其不改变牙龈成纤维细胞和牙周膜细胞的正常活性，说明PDT在发挥抗菌作用的同时不损害机体的正常组织和细胞，证实了PDT发挥抗菌作用的安全性。此外不同致病菌对PDT发挥抗菌作用的的灵敏度各有差异。Oruba等[25]通过TBO和发光二极管（波长：625～635 nm，功率密度：2 000～

3 000 mW/cm2）介导的PDT分别对牙龈卟啉单胞菌、具核酸杆菌以及伴放线杆菌的杀菌敏感性进行对比研究发现，牙龈卟啉单胞菌被彻底清除，是最敏感的致病菌，具核酸杆菌的敏感性仅次于牙龈卟啉單胞菌，这两种细菌的实验结果与Park等[22]的研究结果一致。但是伴放线杆菌则对光动力灭活不敏感，这与Alvarenga等[26]通过MB和二极管激光器[波长：（ 660±2）nm，输出功率： 100 mW，区域： 0.4 cm2]介导的PDT对伴放线杆菌的抑制率高达99.85%的结果不符，可能是由于选择的光敏剂和作用时间不同导致实验结果的差异。同时Alvarenga等[26]指出要达到良好的抗菌效果要控制很多影响PDT的因素，如光波长和光通量以及光敏剂的浓度和预孵育时间等。

3 展望

口腔是复杂的微生物环境，有多种细菌及微生物相互作用形成各种复杂的菌斑生物膜，同时还有促炎症因子和炎症细胞的存在加剧了种植体周围的炎症反应[27]。现有研究已表明PDT以其高效的杀菌性和低细胞毒性等优点可替代传统的抗菌疗法，其提供了一种非侵入性的治疗措施。尽管PDT从发现至今已有一百余年的历史，如今已经广泛用于皮肤和黏膜疾病以及头颈部肿瘤和癌症等的治疗，但其发展仍处于初级阶段。需要注意的是关于PDT对于种植体周围炎的研究大部分都是在体外或是动物体内进行，因此需要确保在体外试验顺利进行的条件下尽可能多的开展体内研究来证明PDT的治疗效果，而且PDT中的最合适的光照强度和光敏剂浓度以及最合适的光源和光敏剂的类型仍需要进一步研究证实。有研究发现PDT对超过7 mm深的种植体周袋的抗菌效果较差，这与种植体周围炎病变组织的复杂性以及深部缺少氧气有很大的关系[28]。笔者相信随着光源和光敏剂等材料和技术的发展进步会逐一解决PDT现有的不足和缺陷，使PDT更好地治疗口腔种植体周围炎。

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（收稿日期：2021-08-10） （本文編辑：张明澜）