光动力抗菌疗法在口腔疾病治疗中的应用进展

2021-4-6 16:04  来源:临床口腔医学杂志
作者:胡晓莉 凌均棨 阅读量:878

    口腔表面微生物的存在是口腔疾病发生的诱发因素之一。龋病和牙周病是口腔最常见的慢性感染性疾病,菌斑生物膜中的细菌是龋病和牙周病的始动因子。由于口腔独特的生理、解剖等特点,有效清除菌斑生物膜、减少细菌的黏附与聚集仍面临巨大的挑战。光动力疗法(photo dynamic therapy,PDT)是利用低能量激光激活光敏剂产生的光动力效应进行疾病诊断和治疗的一种新技术。

    将PDT用于控制细菌、病毒、真菌所致感染的化学治疗方法被称为光动力抗菌疗法(antimicrobial photo dynamic therapy)。该疗法拥有无创抗菌,且不产生耐药性的优势,可作为化学制剂的替代或辅助治疗手段,消除口腔感染中的致病微生物,已成为口腔常见病临床治疗中的特殊技术。

    1.光动力抗菌疗法的作用原理

    光敏剂能吸收特定波长的光,并产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)。当光敏剂吸收一个光子,一个电子从基态提升到单线态,这个单线态可以转变为一个持久的三线态,然后与分子氧进行电子转移,生成超氧化物和羟自由基(I型反应);或将能量转移到分子氧产生高细胞毒性的单线态氧(II型反应)。这两种机制均可致氨基酸、DNA/RNA中的某些嘧啶和嘌呤碱基、不饱和脂质光氧化,产生DNA损伤和/或细胞膜损伤,致使细胞内容物泄漏或细胞膜转运系统失活。

    革兰阴性菌及革兰阳性菌细胞壁结构不同,因此对于光动力治疗敏感性不同。革兰氏阳性细菌和真菌细胞具有相对多孔的单层细胞膜结构,允许光敏剂进入细菌内部。革兰氏阴性菌的双层膜结构具有通透性屏障作用,能阻止多种大分子物质进入。所有微生物的细胞表面都带有比宿主哺乳动物细胞更多的阴离子电荷,因此大部分用于抗菌PDT的光敏剂均携带阳离子。光敏剂上的正电荷能与各类微生物结合,被光激发后能灭活所有种类的微生物,包括:革兰氏阳性和阴性细菌、病毒、真菌和其他寄生虫,表现出广谱抗菌作用。

    吩噻嗪染料(通常为甲苯胺蓝和亚甲蓝),酞菁,姜黄素,二氢卟吩e6(chlorine6,ce6)和聚乙烯亚胺(polyethylenimine,PEI)的结合物已被用于口腔感染。其中,亚甲蓝毒性较低并能产生较多的单线态氧,已被批准作为一种有效的PDT药物,用于牙周疾病的局部治疗。甲苯胺蓝可用作口腔癌诊断的辅助工具,被光激活用于牙周炎、牙髓感染和龋齿辅助治疗。

    2.PDT在牙体及牙髓根尖周病中的应用

    2.1龋病治疗中的应用

    龋齿被世界卫生组织(WHO)列为全球流行病,是人类最常见的疾病之一。龋病是由口腔菌群和宿主之间发生相互作用而导致的多因素疾病。牙表面细菌(主要是链球菌和乳酸杆菌)发酵产酸,导致pH值不平衡。酸性代谢物增加了牙本质中羟基磷灰石的溶解度,利于微生物侵入牙本质造成脱矿,最终导致牙髓感染。现代口腔疾病治疗强调微创理念,PDT因此展现出其治疗优势。吩噻嗪类染料介导的PDT疗法能够有效地杀灭牙釉质表面、感染的牙本质小管、根分叉,甚至裂隙等难以到达区域所存在的龋源性生物膜,PDT已成为龋病治疗中的特殊工具。

    在控制致龋微生物的基础上,再通过生物治疗方法促进牙体组织再矿化,将大大降低传统充填修复方法所带来的创伤。Baptista等用亚甲蓝介导的PDT疗法治疗大鼠早期龋,从实验动物的磨牙中采集的微生物和光相干层析成像(optical coherence tomography,OCT)数据显示无需任何进一步的机械或化学处理,即可有效地减少微生物并阻止脱矿。通过结晶紫分析、共聚焦激光扫描显微镜和扫描电子显微镜显示,甲苯胺蓝-银纳米粒子偶联物下调了生物膜相关基因的表达,抑制变形链球菌生物膜的形成,增加碘化丙钠的摄取和细胞成分的泄漏。

    抗菌PDT还可与传统充填修复方法相结合,在减少微生物同时合并再矿化技术,达到减少牙本质磨除量并起到保护牙髓目的。Melo等在对磨牙深龋进行PDT治疗后,发现在髓壁龋坏牙本质上的微生物明显减少,表明PDT治疗深龋不仅能减少创伤性,还能提高其治疗成功率。因此,PDT在龋病治疗中在保证疗效的同时降低了去尽腐质可能造成的穿髓风险,以及因牙体组织的过多丧失造成抗力下降的风险。

    2.2牙髓根尖病中的应用

    根管系统具有复杂的解剖结构,包括峡部、管间交通支、根尖分歧和牙本质小管,微生物滞留其中影响根管治疗的效果。根管治疗需要彻底清除根管系统内的所有细菌及其产物以提高其治疗成功率。PDT抗菌疗法能有效减少根管系统内细菌量。粪肠球菌是目前根管感染中最常见的相关病原菌,多项研究评估了甲苯胺蓝和亚甲蓝联合光动力疗法治疗根管感染的效果。PDT对粪肠球菌污染根管具有较好的杀菌效果;伴随PDT技术改进,PDT可作为一种辅助程序来杀灭根管系统中的残余细菌,是根管清理的辅助手段。

    近期研究发现,新型光敏剂-玫瑰红功能化的壳聚糖纳米颗粒(rosebengal-functionalized chitosan NPs,CSRBnp)能有效杀灭单菌、单种和多物种生物膜,可用于根管消毒。在有牙本质和内毒素等抑制剂存在的情况下,CSRBnp的抗菌效果在最初数小时内会降低,但24h后细菌仍能被完全根除。CSRBnp介导的PDT疗法能破坏粪肠球菌生物膜的多层结构,提高牙本质胶原的抗降解能力和机械强度。研究还发现CSRBnp介导的PDT疗法可以造成细菌细胞膜损伤,灭活内毒素和脂多糖,活化巨噬细胞降低炎症因子的表达,而对牙髓细胞则不产生毒性作用。

    3.牙周炎中的应用

    目前牙周炎的标准治疗方法主要是机械清除菌斑生物膜并联合抗生素的应用。但使用手工刮治或超声洁治难以进入并清除根分叉区、凹陷处及深牙周袋内的菌斑等刺激物。抗生素的滥用及长期使用可能导致细菌微生物耐药性的产生,促使研究人员寻找抗生素的替代方法。机械清洁牙面,清除矿化和非矿化细菌沉积物(牙石和牙菌斑)容易导致不可逆的硬组织损伤和牙龈衰退,造成所治疗牙齿对触觉、温度觉和渗透刺激等产生过敏反应。PDT疗法可有效杀灭牙周致病菌,更易进入深牙周袋、根分叉等较难到达的部位,它以对周围组织无损伤、抗菌谱广、对耐药菌有效等优势广受关注,被认为是一种可用于牙周病临床治疗的很有潜力的治疗技术,也被积极地引入到口腔种植体周围炎治疗之中。

    PDT抗菌疗法在体内牙周炎的非手术治疗中取得了积极疗效。使用甲苯胺蓝介导的PDT能有效杀灭体内牙龈卟啉单胞菌,中间普雷沃菌,牙龈二氧化碳噬纤维菌及核真杆菌等。此外,PDT能减少实验大鼠牙周炎模型所致骨缺损,证实了PDT治疗牙周病的有效性。研究也发现PDT治疗可以减少炎症细胞的数量,降低促炎细胞因子IL-6,IL-8及CXC趋化因子配体10[chemokine(C-X-C motif)ligand10,CXCL10]水平,并提高碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)水平诱导牙周组织再生。牙周炎动物模型中,通过体内免疫组化、组织学、放射学和分子生物学实验显示亚甲蓝介导的PDT治疗组巨噬细胞浸润及骨丧失更少,IL-1β和TNF-α水平低于传统治疗组。

    亚甲蓝介导的PDT还通过线粒体半胱天冬酶途径(mitochondrial caspase pathway)诱导THP-1单核细胞源性巨噬细胞凋亡,这可能是PDT抗菌作用外控制牙周炎的另一种途径。在牙周病治疗中,PDT抗菌疗法无法完全杀灭菌斑中的微生物的主要原因可能是由于光敏剂在口腔生物膜中的渗透受限,紫外线或可见光对组织的穿透能力有限,或细菌细胞通过耐药泵将光敏剂排除。

    体外研究显示使用聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Polylactic-co-glycolic,PLGA)纳米颗粒作为亚甲蓝的载体,可以增加光敏剂在生物膜中的扩散,并释放封装的活性药物,展示了更强的杀菌能力。体内研究显示使用MnO2纳米颗粒作为光敏剂二氢卟吩e6的载体,光动力细菌杀灭效果显著增强,能有效治疗金黄色葡萄球菌诱导的皮肤脓肿。

    4.口腔黏膜病中的应用

    光动力疗法可应用于复发性唇疱疹(recurrent Herpeslabialis,RHL)的治疗。RHL由复发性单纯疱疹病毒(herpes simplex virus,HSV-1)感染,其临床过程由前驱症状开始,如灼烧或肿胀,接着出现水泡,再进一步产生溃疡,最终在72~96h内结痂。阿昔洛韦或伐昔洛韦等抗病毒药物被广泛用于RHL治疗,但阿昔洛韦的间歇性给药可导致耐药性,而且只有在疱疹形成前使用才能产生较好的疗效。研究显示接受PDT联合低强度激光治疗的RHL患者,其疗效比使用抗病毒药物进行常规治疗更佳。

    已有研究比较了高强度激光及亚甲蓝联合低强度激光PDT两种疗法,结果显示两种治疗方法均能有效治疗唇疱疹。也有临床研究使用PDT能治疗发生其他部位的单纯疱疹病变,包括疱疹性角膜炎及生殖器疱疹。光敏剂也可以用于杀灭真菌细胞,如念珠菌。与细菌细胞不同,作用于真菌的光敏剂需要进入真菌细胞内部才能发挥作用。

    研究表明PDT能有效灭活口腔白念珠菌。念珠菌病感染动物模型证实PDT能显著降低了白色念珠菌的生存能力。通过建立免疫缺陷小鼠模型模拟人体,研究人员发现亚甲蓝介导的PDT治疗口腔念珠菌病的有效性,并发现使用PDT根除白念珠菌素疗效与亚甲蓝浓度具有剂量依赖性效应。使用亚甲蓝联合碘化钾经过5天半导体激光(40J)PDT治疗可以根除口腔念珠菌,提示碘化钾可以增强亚甲蓝介导的PDT抗真菌疗效,可能是一种治疗口腔念珠菌病的新方法。

    5.展望

    口腔常见病治疗技术是随医疗技术的不断发展而进步。近几年来,PDT在光源和光敏剂的安全性、高效性上不断发展完善,实验室及临床研究均表明PDT可有效杀灭龋病、根管感染及牙周病相关致病菌及耐药菌,且不产生耐药性、不损伤周围组织,同时减轻炎症反应,诱导牙周组织再生。PDT已在治疗龋病、牙髓根尖周病、牙周病及口腔粘膜病等发面均展示其非侵入性抗菌能力的优势,是一种有效地口腔疾病辅助治疗技术。随着光敏剂的不断更新以及纳米技术在PDT方面的应用,有助于光敏剂在生物膜里的扩散,并帮助释放具有活性的封装药物,它们将进一步提高PDT杀菌能力及其在组织深部治疗中的应用。

编辑: 陆美凤

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