光動(dòng)力療法在口腔種植體周圍炎治療中的研究進(jìn)展

曹飛 劉童斌 張曉明

【摘要】 光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT）將光源、光敏劑以及氧氣三者緊密結(jié)合發(fā)揮抗炎殺菌作用，同時(shí)對(duì)機(jī)體及組織的正常生命代謝活動(dòng)無(wú)不良影響。PDT以因安全高效殺菌性及低毒副性等優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多地應(yīng)用于口腔種植領(lǐng)域的治療和研究。但PDT仍處于初級(jí)階段，仍需要更多高質(zhì)量的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)及臨床研究來(lái)驗(yàn)證。本文以PDT的作用原理為基礎(chǔ)，對(duì)PDT在口腔種植體周圍炎治療中抗炎和抗菌兩方面的研究進(jìn)展做一綜述。為PDT在未來(lái)口腔領(lǐng)域的臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)，并提出需要解決的相關(guān)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 光動(dòng)力療法 種植體周圍炎 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

自骨整合理論發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用至今，口腔種植技術(shù)獲得迅猛發(fā)展[1]。種植體周圍炎是種植修復(fù)后最普遍的問(wèn)題之一，其發(fā)生率為1%～47%[2]。鈦金屬自身不規(guī)則的表面結(jié)構(gòu)易被細(xì)菌黏附聚集形成生物膜而破壞骨整合，并且可誘導(dǎo)宿主發(fā)生免疫炎癥反應(yīng)，從而引起種植體周圍炎等相關(guān)感染，進(jìn)而導(dǎo)致種植體修復(fù)失敗乃至周圍局部組織的病變壞死。所以抑制乃至殺滅種植體周圍的細(xì)菌對(duì)種植義齒修復(fù)的成功起著決定性作用。目前傳統(tǒng)治療種植體周圍炎的方法如機(jī)械清創(chuàng)療法、化學(xué)藥物療法及抗生素療法等無(wú)法徹底根除致病病因且極易對(duì)機(jī)體造成不可逆的損傷以及毒副作用。近年來(lái)光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT）在治療種植體周圍炎中取得顯著成效[3]。它通過(guò)光敏劑與特定波長(zhǎng)的激光在氧氣的參與下生成活性氧分子（reactive oxygen species，ROS），并與細(xì)菌作用產(chǎn)生超強(qiáng)的氧化反應(yīng)，最終殺滅致病菌。此外PDT不僅具有殺菌性能，還可以通過(guò)滅活炎癥因子來(lái)促進(jìn)種植體周圍炎癥的愈合。

1 PDT的作用原理

1.1 PDT的組成 PDT的抗菌組成包括三種成分，即特定波長(zhǎng)的光源、光敏劑以及氧氣。PDT中應(yīng)用較為廣泛的光源為二極管激光器和發(fā)光二極管[4]。PDT的傳統(tǒng)光敏劑有亞甲基藍(lán)（methylene blue，MB）、甲苯胺藍(lán)（toluidine blue O，TBO）等，近些年研究發(fā)現(xiàn)并合成新型的光敏劑如亞甲基藍(lán)凝膠等[5]。氧氣在PDT中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在氧氣足夠的條件下， PDT可產(chǎn)生大量的活性氧分子（ROS）進(jìn)而導(dǎo)致致病菌的凋亡，使PDT發(fā)揮最佳的抗炎殺菌效果。

1.2 PDT的化學(xué)機(jī)制 光敏劑在有氧條件下吸收特定波長(zhǎng)的光源后被激發(fā)，使光敏劑分子從基態(tài)（單線態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀貞B(tài)的電激發(fā)態(tài)（三重態(tài)）。其中激發(fā)的三重態(tài)光敏劑分子可發(fā)生兩種類型（Ⅰ型和Ⅱ型）的化學(xué)反應(yīng)[6]。Ⅰ型是三重激發(fā)態(tài)的光敏劑分子經(jīng)過(guò)氫離子或電子轉(zhuǎn)移進(jìn)而與底物或溶劑相互作用最終生成自由基或自由基離子。帶負(fù)電荷的自由基或自由基離子通過(guò)電子轉(zhuǎn)移與氧氣相互作用，生成活性氧化產(chǎn)物如超氧陰離子自由基（O2-）和羥離子自由基（OH-）。Ⅱ型中光敏劑的三重激發(fā)態(tài)直接與氧分子發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移進(jìn)而生成具有細(xì)胞毒性的單線態(tài)氧（1O2），可導(dǎo)致細(xì)胞不可逆性損傷[7]。PDT作用中形成的活性氧是導(dǎo)致細(xì)菌裂解損傷的主要分子，Ⅱ型中所產(chǎn)生的1O2可直接與蛋白質(zhì)、核酸、胞外聚合物等生物大分子發(fā)生超強(qiáng)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞器及細(xì)胞膜等組織的損傷。最近Hamblin等[8]研究發(fā)現(xiàn)不依賴氧氣的PDT，并將其化學(xué)機(jī)制命名為Ⅲ型，但是其中具體的化學(xué)原理和機(jī)制仍有待研究和驗(yàn)證。

1.3 PDT的抗菌機(jī)制 一是PDT產(chǎn)生ROS破壞致病菌中DNA的分子組成及結(jié)構(gòu)，通過(guò)損壞細(xì)菌的遺傳物質(zhì)進(jìn)而擾亂細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，最終達(dá)到抗菌殺菌作用。有研究表明，在PDT后發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)部分質(zhì)粒的DNA超螺旋結(jié)構(gòu)消失，說(shuō)明PDT不僅可以損傷致病菌中細(xì)胞核內(nèi)的DNA遺傳物質(zhì)，還可損毀細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的DNA結(jié)構(gòu)[9]。二是PDT產(chǎn)生細(xì)胞毒性物質(zhì)破壞細(xì)胞壁或細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致細(xì)菌的內(nèi)容物泄露或胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及胞膜酶活力的失活。Topaloglu等[10]發(fā)現(xiàn)PDT發(fā)揮作用分解細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)及脂質(zhì)是導(dǎo)致細(xì)菌裂解死亡的主要原因。

2 PDT在口腔種植體周圍炎治療中的應(yīng)用

種植體表面菌斑生物膜的堆積及聚集可誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生促炎癥因子及炎癥細(xì)胞，進(jìn)而引發(fā)種植體周圍骨組織的吸收損壞，最終結(jié)局為種植體的脫離[11]。PDT能有效殺滅細(xì)菌并破壞菌斑生物膜來(lái)發(fā)揮顯著的抗菌作用。另外PDT還可以通過(guò)滅活或者抑制炎癥因子和炎癥細(xì)胞而達(dá)到治療種植體周圍炎的效果。接下來(lái)重點(diǎn)介紹PDT在種植體周圍炎治療中抗炎和抗菌兩大方面的作用。

2.1 抗炎方面 目前發(fā)現(xiàn)種植體周圍炎齦溝液內(nèi)的炎癥因子與牙周炎的極為相似，無(wú)論從病因、發(fā)病機(jī)制，還是從診斷和治療的角度來(lái)看種植體周圍炎與牙周炎并無(wú)本質(zhì)區(qū)別[12]。白細(xì)胞介素IL-1β和腫瘤壞死因子TNF-α是破骨細(xì)胞形成和骨吸收中最重要的兩種細(xì)胞因子，是種植體周圍炎的關(guān)鍵標(biāo)志物，被用于種植體周圍炎的早期診斷。

2.1.1 對(duì)炎癥因子的作用 Longo等[13]通過(guò)MB和發(fā)光二極管（波長(zhǎng)：660 nm，輸出功率：35 mW，能量密度：74.2 J/cm2）介導(dǎo)的PDT治療實(shí)驗(yàn)性大鼠的牙周炎，發(fā)現(xiàn)PDT可明顯減少白細(xì)胞介素和腫瘤壞死因子等促炎性因子的產(chǎn)生。Luchesi等[14]用MB和二極管激光器（波長(zhǎng)：660 nm，輸出功率：60 mW，能量密度：129 J/cm2）介導(dǎo)的PDT治療慢性牙周炎患者的結(jié)果顯示PDT可減少IL-1β等炎癥細(xì)胞水平。這與Andrade等[15]用二極管激光器（波長(zhǎng)：660 nm，輸出功率：40 mW，能量密度：90 J/cm2）和MB聯(lián)合作用于重度慢性牙周炎患者的牙周袋內(nèi)的結(jié)果相似，Andrade等[15]測(cè)得PDT能有效抑制IL-1β和TNF-α等炎癥因子的表達(dá)從而促進(jìn)炎癥的消退。PDT可顯著降低牙周周圍組織的IL-1β和TNF-α的水平，進(jìn)而減緩組織炎癥的發(fā)生發(fā)展。另外PDT對(duì)其他炎癥因子的作用效果還需要其他的理論和研究支持。

2.1.2 對(duì)炎癥細(xì)胞的作用 巨噬細(xì)胞是關(guān)鍵的炎癥細(xì)胞，可激發(fā)牙周周圍正常組織的炎癥反應(yīng)和牙槽骨的吸收損壞，進(jìn)而影響種植體的穩(wěn)定性和周圍組織的健康。Jiang等[16]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)MB和二極管激光器（波長(zhǎng)：660 nm，輸出功率：300 mW，能量密度：50 J/cm2）介導(dǎo)的PDT在牙周炎大鼠體外和體內(nèi)均能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的凋亡從而減少骨量的丟失，說(shuō)明PDT可以通過(guò)誘導(dǎo)過(guò)度浸潤(rùn)的巨噬細(xì)胞凋亡來(lái)抑制炎癥的進(jìn)展。Jiang等[16]還發(fā)現(xiàn)應(yīng)用10 μM的MB和40 J/cm2激光照射對(duì)半數(shù)以上的細(xì)胞（約50.36%）有殺傷作用，是光動(dòng)力療法最大限度促進(jìn)細(xì)胞凋亡的最佳條件。他們通過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)PDT是通過(guò)線粒體caspase途徑誘導(dǎo)THP-1巨噬細(xì)胞凋亡，為PDT誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡提供了理論基礎(chǔ)，說(shuō)明PDT不是直接作用于巨噬細(xì)胞，而是通過(guò)直接作用于線粒體而間接作用于巨噬細(xì)胞發(fā)揮作用。研究證實(shí)，MB與線粒體有親和力，與線粒體外膜的聚磷酸鹽結(jié)合并對(duì)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)造成分子損傷[17]。說(shuō)明PDT可通過(guò)作用于光敏劑直接作用于線粒體上最終導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的裂解死亡。

所以，PDT可通過(guò)有效滅活炎癥因子和炎癥細(xì)胞來(lái)控制炎癥反應(yīng)進(jìn)而促進(jìn)纖維結(jié)締組織和骨組織的愈合。Malik等[18]指出增加PDT治療的頻率可減少細(xì)胞產(chǎn)生免疫炎癥因子從而增強(qiáng)抗炎效果。但并未有充足的證據(jù)說(shuō)明增加PDT的使用頻率會(huì)對(duì)機(jī)體細(xì)胞及組織的正常生命活動(dòng)不造成影響，所以PDT對(duì)炎癥因子和炎癥細(xì)胞的具體作用劑量和作用時(shí)間還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證。

2.2 抗菌方面 種植體周圍炎和牙周炎的致病菌具有相似性，但是種植體周圍炎的致病菌菌群比牙周炎更加復(fù)雜和多樣[19]。種植體周圍炎的致病菌種類繁多且致病能力各不相同，其中在種植體周圍炎中?？煞蛛x出的主要致病菌有牙齦卟啉單胞菌、具核梭桿菌和伴放線桿菌等[19-20]。其中具核梭桿菌在早期種植體周圍炎中廣泛存在，且在連接菌斑生物膜早期和晚期的致病菌定殖者中起橋梁作用。

Zhou等[21]用TBO和二極管激光器（波長(zhǎng)：635 nm，輸出功率：100 mW，能量密度：129 J/cm2）介導(dǎo)的PDT作用于種植體周圍溝槽及基牙螺紋腔內(nèi)，發(fā)現(xiàn)只在術(shù)后2周可有效減少牙齦卟啉單胞菌的數(shù)量，而在術(shù)后3個(gè)月則沒(méi)有檢測(cè)到該菌的減少。說(shuō)明PDT抗菌作用可在短期內(nèi)取得顯著的效果，而在長(zhǎng)期減少種植體周圍細(xì)菌中發(fā)揮的作用十分有限。所以PDT可能是殺滅細(xì)菌的一種初級(jí)治療措施，有必要進(jìn)行臨床研究來(lái)確定PDT的長(zhǎng)期有效性。增加PDT的應(yīng)用頻率是否可以增強(qiáng)其長(zhǎng)遠(yuǎn)效果還需要進(jìn)一步的臨床研究和驗(yàn)證。同時(shí)牙齦卟啉單胞菌的早期迅速減少可能是其內(nèi)含有內(nèi)源性的原卟啉，它可能是一種內(nèi)部光敏劑，可增強(qiáng)PDT對(duì)牙齦卟啉單胞菌的作用效果。Park等[22]在體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PDT可有效減少牙齦卟啉單胞菌和具核梭桿菌的數(shù)量，并可顯著減輕大鼠的牙槽骨丟失和炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在0.33 mM的TBO存在下，最低光強(qiáng)為3 mW/cm2即可有效地殺滅牙齦卟啉單胞菌。對(duì)于具核梭桿菌而言，在0.33 mM TBO存在下，最小光強(qiáng)為60 mW/cm2即可提供有效的殺菌效果。該研究提供了TBO和發(fā)光二極管（波長(zhǎng)：650 nm）介導(dǎo)的PDT發(fā)揮最佳殺菌效果所需要的精確光敏劑的量和光源強(qiáng)度的值，為PDT進(jìn)一步的臨床研究提供指導(dǎo)支持。但其他種類光敏劑介導(dǎo)的PDT發(fā)揮最佳抗菌效果有待其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

Azizi等[23]將TBO和二極管激光器（波長(zhǎng)：660 nm，輸出功率：100 mW，能量密度：124.3 W/cm2）介導(dǎo)的PDT作用于接種牙齦卟啉單胞菌和伴放線桿菌的無(wú)菌鈦牙科種植體上，發(fā)現(xiàn)兩種細(xì)菌下降率接近98.3%。說(shuō)明PDT治療對(duì)牙科種植體上的細(xì)菌生物膜具有較高的殺滅作用。同時(shí)Azizi等[23]通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PDT治療后的種植體表面的掃描電鏡圖像沒(méi)有顯示出任何表面結(jié)構(gòu)的改變或者差異。說(shuō)明PDT不會(huì)對(duì)種植體表面造成潛在的損害和威脅。Park等[24]通過(guò)TBO和發(fā)光二極管（波長(zhǎng)：650 nm，輸出功率：90 mW，功率密度：60 mW/cm2）介導(dǎo)的PDT觀察到其不改變牙齦成纖維細(xì)胞和牙周膜細(xì)胞的正?；钚?，說(shuō)明PDT在發(fā)揮抗菌作用的同時(shí)不損害機(jī)體的正常組織和細(xì)胞，證實(shí)了PDT發(fā)揮抗菌作用的安全性。此外不同致病菌對(duì)PDT發(fā)揮抗菌作用的的靈敏度各有差異。Oruba等[25]通過(guò)TBO和發(fā)光二極管（波長(zhǎng)：625～635 nm，功率密度：2 000～

3 000 mW/cm2）介導(dǎo)的PDT分別對(duì)牙齦卟啉單胞菌、具核酸桿菌以及伴放線桿菌的殺菌敏感性進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，牙齦卟啉單胞菌被徹底清除，是最敏感的致病菌，具核酸桿菌的敏感性僅次于牙齦卟啉單胞菌，這兩種細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Park等[22]的研究結(jié)果一致。但是伴放線桿菌則對(duì)光動(dòng)力滅活不敏感，這與Alvarenga等[26]通過(guò)MB和二極管激光器[波長(zhǎng)：（ 660±2）nm，輸出功率： 100 mW，區(qū)域： 0.4 cm2]介導(dǎo)的PDT對(duì)伴放線桿菌的抑制率高達(dá)99.85%的結(jié)果不符，可能是由于選擇的光敏劑和作用時(shí)間不同導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。同時(shí)Alvarenga等[26]指出要達(dá)到良好的抗菌效果要控制很多影響PDT的因素，如光波長(zhǎng)和光通量以及光敏劑的濃度和預(yù)孵育時(shí)間等。

3 展望

口腔是復(fù)雜的微生物環(huán)境，有多種細(xì)菌及微生物相互作用形成各種復(fù)雜的菌斑生物膜，同時(shí)還有促炎癥因子和炎癥細(xì)胞的存在加劇了種植體周圍的炎癥反應(yīng)[27]?，F(xiàn)有研究已表明PDT以其高效的殺菌性和低細(xì)胞毒性等優(yōu)點(diǎn)可替代傳統(tǒng)的抗菌療法，其提供了一種非侵入性的治療措施。盡管PDT從發(fā)現(xiàn)至今已有一百余年的歷史，如今已經(jīng)廣泛用于皮膚和黏膜疾病以及頭頸部腫瘤和癌癥等的治療，但其發(fā)展仍處于初級(jí)階段。需要注意的是關(guān)于PDT對(duì)于種植體周圍炎的研究大部分都是在體外或是動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行，因此需要確保在體外試驗(yàn)順利進(jìn)行的條件下盡可能多的開(kāi)展體內(nèi)研究來(lái)證明PDT的治療效果，而且PDT中的最合適的光照強(qiáng)度和光敏劑濃度以及最合適的光源和光敏劑的類型仍需要進(jìn)一步研究證實(shí)。有研究發(fā)現(xiàn)PDT對(duì)超過(guò)7 mm深的種植體周袋的抗菌效果較差，這與種植體周圍炎病變組織的復(fù)雜性以及深部缺少氧氣有很大的關(guān)系[28]。筆者相信隨著光源和光敏劑等材料和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步會(huì)逐一解決PDT現(xiàn)有的不足和缺陷，使PDT更好地治療口腔種植體周圍炎。

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（收稿日期：2021-08-10） （本文編輯：張明瀾）