光动力疗法在根管消毒中的研究进展

吴亚楠 张莉

【摘要】 有效的根管消毒是根管治疗成功的关键，而常规的机械化学清创很难完全消除根管内的感染微生物。寻找一种彻底有效的根管消毒方法至关重要。光动力疗法（PDT）是由光诱导的微生物、细胞或分子的非热失活，包括光敏剂（PSs）、光源以及氧三种组成成分，它是辅助清除根管内感染微生物的一种新型选择。

【关键词】 光动力疗法 光敏剂 根管消毒 根管治疗

[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

細菌感染是导致牙髓及根尖周组织炎症发生发展的重要因素，感染的根管内含多种菌群，这些细菌多以生物膜的形式存在，加之根管系统复杂多变，从感染的根管系统中清除复杂的微生物是一项艰巨的任务。扫描电镜已经证明和揭示了它们可以深达牙本质小管1 000 μm或更深，因此，普通的冲洗液很难达到这个深度，临床上最常用的次氯酸钠也仅能穿透牙本质小管60～150 μm[1]。为了提高根管系统的消毒水平，一些其他方法如光动力疗法（PDT）被开发了出来。PDT是一种对硬组织或软组织部位局部应用光敏化合物进行消毒或灭菌的方法，包括光敏剂（PSs）、光源和氧三个基本要素。近年来在口腔科被广泛地应用于龋病、牙髓根尖周病、牙周病、黏膜病、口腔颌面部良恶性肿瘤和口腔癌前病变等[2]。在根管治疗中虽然该方法单独使用时的消毒效果具有争议，但它已经被认为是一种有效的根管内标准抗菌辅助手段。本文主要就PDT的作用机制、根管消毒效果，以及影响消毒效果的相关因素展开综述。

1 PDT的作用机制

光动力疗法的机制是建立在光敏剂、光源和氧这三种无毒成分的基础上，产生预期的效果[3]。主要有两种分子反应机制，二者都依赖于细胞内的氧分子。在反应的第一阶段，这两种机制是相似的。大致过程是光敏剂进入细胞后，以与其吸收光谱相一致的波长照射，由于光子吸收，使药物分子从稳定基态进入半衰期极短的不稳定激发态。被激发的单态化合物衰减回基态，以荧光的形式发光，或转变成更长久的三态激发态T1。最后通过Ⅰ型和Ⅱ型机制在靶部位发生损伤作用。Ⅰ型反应—在激发的三重态T1中，光敏剂可以与它周围的生物分子以氢原子或电子转移的形式传递能量，从而导致自由基的形成。最初形成的自由基是以超氧阴离子电子自由基（O2-）的形式存在。这种自由基很容易与周围分子进一步反应生成超氧化物-活性氧（ROS），从而破坏靶组织的细胞膜、蛋白质或DNA。Ⅱ型反应—处于三重态状态的光敏剂，其能量直接转移到处于基本能态的氧分子上。对于分子间这种直接能量的转移是可能的，因为它们有相同的自旋。而通过这种方式激发的氧粒子—单态氧被合成。激发态单态氧具有极强的氧化性，可氧化诸如蛋白质、核酸、脂类等多种生物分子，并产生细胞毒性，造成靶组织的损伤作用[4]。

2 PDT应用于根管消毒的杀菌效果

目前关于PDT在根管消毒中的应用的研究多数仅局限于体外实验，并已经证实了其有效性，而体内实验相对较少。Pourhajibagher等[5]从128例就诊患者中选取了36例根尖周炎病例进行菌株培养，经PDT后结果显示感染根管中微生物多样性和数量均显著降低，表明PDT在感染根管内的抗菌活性方面也是有效的。同时他还收集了14例继发/持续性根管感染的患者，PDT处理后同样显示根管内微生物的种类和数量的下降[6]。然而在当代牙髓学中，次氯酸钠（NaOCl）仍然是金标准，因为它能够破坏生物膜[7]。因此许多文献报道显示单纯PDT的灭菌效果与次氯酸钠的相当或更低[8-9]。PDT更多的是作为传统根管消毒方法的辅助手段，并显示出了良好的抗菌效果。Tennert等[10]以15 mg/mL的甲苯胺蓝作为光敏剂，由100 mW的LED光源激活，以评估PDT、PDT联合NaOCl或EDTA等处理后的人离体牙内粪肠球菌菌落变化，结果显示单独使用PDT可使粪肠球菌数量减少92.7%，PDT联合NaOCl冲洗可使粪肠球菌减少99.9%，Hoedke等[9]的研究同样证实了此结论;Ghorbanzadeh等[11]分别用机械化学清创术、机械化学清创术+PDT、机械化学清创术+激光消毒三种根管消毒方法评估对粪肠球菌生物膜的杀菌效果，结果显示PDT组的生物膜减少率最高，并且对根管冠、中、根尖三分之一未成熟生物膜和成熟生物膜均有较好疗效[9]。

3 影响PDT杀菌效果的相关因素

3.1 细菌的状态及种类 微生物可以以浮游状态或生物膜的形式存在，根管内微生物多以生物膜的形式存在，与浮游状态下相比，这些复杂的、有组织的微生物对抗菌疗法的抵抗力至少比浮游状态下强1 000倍[12]。实验证明浮游细菌比生物膜中的细菌对PDT更敏感。生物膜的细胞外聚合基质起到了屏障作用，从而阻止了抗菌剂渗透到生物膜内杀死微生物并进一步破坏生物膜，这是导致根管治疗失败的一个重要原因[13]。此外感染根管内的病原微生物是多种多样的，包括厌氧菌、兼性厌氧菌、需氧菌的混合感染。厌氧革兰阴性杆菌是初次根管感染中常见的分离菌，在治疗根管中则以兼性厌氧革兰阳性球菌和杆菌为主，如粪肠球菌、放线菌等。一般来说，与革兰阴性菌相比，PDT对革兰阳性菌的杀菌效果更好。这主要是因为在革兰阳性菌中，胞质膜被相对多孔的肽聚糖层脂壁酸包围，使PSs得以渗透。与之不同的是，革兰阴性菌的细胞膜同时存在内膜和外膜，而外膜是通过表皮多糖层分离的。外膜在细胞和环境之间形成有效的渗透屏障，使细胞与环境的结合和渗透更加紧密，PSs难以渗透[14]。

3.2 PSs PSs是一种化学试剂，当被特定波长的光激活时，在分子氧存在下将光能转移和转化为化学反应，产生超氧化物或单态氧，并通过直接和间接的细胞毒性诱导细胞损伤[15]。因此，PSs被认为是PDT过程中的一个关键因素。在根管环境中使用的PSs的关键特性是，它们能够吸收可见光中红色部分的激光，因为这些波长的光能最大限度地穿透牙本质。大多数光敏剂在630～700 nm被光激活，相当于0.5～1.5 cm的穿透深度。PSs对不同种类的细菌的作用因其所携带的电荷不同而有所差异。通常情况下，阴离子或阳离子PSs可以强力破坏革兰阳性细菌，而只有阳离子PSs，或阳离子PSs结合非阳离子PSs破坏革兰阴性渗透屏障这种方式才能杀灭多重革兰阴性菌[7]。因此可根据不同微生物感染而有针对性地选择光敏剂，如果是革兰阳性，可以同时使用阳离子和阴离子染料，如果是革兰阴性，阳离子染料更有效。一般来说，光敏剂可以具有亲水性、疏水性或两亲性，考虑到根管感染是革兰阳性菌和革兰阴性菌的混合感染，两亲性的PSs如甲苯胺蓝O（TBO）和亚甲基蓝（MB）似乎更适合用于根管治疗的PDT[16]。此外，除了光敏剂的类型，其浓度也会影响消毒效果。

3.3 光源 PDT光源是影响消毒效果的另一重要因素，其基本要求是与PS（通常是波长最长的峰值）的激活光谱（电子吸收光谱）相匹配，并在这个波长产生足够的光强度，通常是波长630～700 nm的低能量激光，功率小于500 mW，输出功率可被精确调控，只产生局部效应，对机体损伤小，可以重复进行多次治疗。临床中最常用的PDT光源有：广谱灯、激光器和发光二极管（LED）灯[17]。广谱灯如金卤灯等，辐射光谱宽，可进行光谱过滤以匹配任何PSs，但其光能损耗使其效率受限[17]。激光器如Er：YAG激光与Nd：YAG激光在根管消毒中显示出了良好的抗菌效果，但功率高，产热多，可能会通过产热对周围组织造成不可逆的损伤，如牙骨质损伤，牙根吸收、牙槽骨坏死和疼。研究表明，温度升高5.5 ℃，持续照射1 min就可以导致不可逆的牙髓炎;当温度升高16.6 ℃时，牙髓则全部坏死[18]。因此低功率、低成本的LED灯目前更受欢迎。Asnaashari等[19]用LED（630 nm）和半导体激光（810 nm）对用粪肠球菌感染的单根管离体牙进行照射，结果表明LED（630 nm）比半導体激光（810 nm）更能有效地降低粪肠球菌。应用于根管消毒的PDT光源输出功率尚无统一，为40～220 mW[20]。文献[5]的研究使用了下输出功率为220 mW波长为635 nm光源光照60 s，结果表明，微生物多样性和计数明显下降。

3.4 预照射时间与剂量 从PSs进入根管系统到实际光激活所经过的时间称为预辐照时间[21]。预照射时间也是PDT的关键因素之一，因为它允许PS穿透牙本质并发挥抗菌作用，有助于将PS留在细菌内，使其吸收更多，关于预照射仍存在争议，现有数据显示预照射时间为5～15 min。Soares等[22]报道，总体而言，PDT的疗效随着能量剂量的增加、菌悬液体积的减小以及输出功率而统计学有显著性差异。另外，基于根管的复杂形态，可以使用光纤直径为200～1 000 μm的工作头，这样可以使光深达根尖，照射10 s～6 min，可提高消毒效果[23]。

4 优势与缺点

PDT是一种冷光化学反应，对周围组织不产生热副作用。光敏剂对特定组织层具有选择性吸收，光纤激光定向精确，靶组织损伤的高度选择性。使用PDT作为常规根管消毒的辅助治疗手段，不仅可以显著降低根管内的细菌负荷，另外它对耐药菌有效，反复治疗也不易产生抗药性[16]，这些都大大减少了患者的就诊次数及医生的椅旁操作时间。此外，PDT在减少一次性根管治疗术后疼痛方面是有效的[24]，也可以提高根管治疗后患牙保存率，以PDT作为辅助治疗的牙齿，其10年保存率可高达97.33%（RCT）和93.67%（Rect）[25]。然而在临床运用过程中同样有一些不良事件被报道出来，例如光敏剂如TBO和MB等的使用会导致牙体变色[26]，并且在临床上表现比较明显。这可能是较长的预照射时间，使更多的光敏剂进入牙本质小管中，接近釉牙本质界而使牙体颜色变化明显。此外光敏剂浸透牙本质表面，可能会形成玷污层，使牙本质小管闭塞，导致根管微渗漏，最终使充填材料与根管牙本质的结合强度降低[27]，从而降低了根管治疗的成功率。

近年来的研究突出了PDT优良的抗菌潜力，虽然有实验表明PDT的消毒效果不及传统的化学机械清创术，但作为其辅助手段，PDT是一种良好的选择。由于不同的实验采用了不同的光敏剂、不同的辐照剂量和不同功率及波长的光源，因此，就临床推荐的方案达成一致意见似乎还有很大的空间。综合来看，目前需要进一步研究调整PDT方案或PSs配方，以优化PDT结果，另外还需要进行更多的体内研究从而为提高临床根管治疗成功率提供更坚实的研究基础。

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（收稿日期：2020-12-16） （本文編辑：张爽）