Применение низкоуровневых лазеров в качестве источников света возбуждения для фотодинамической терапии в лечении пародонтита

Одна из главных глобальных проблем современной медицины – это стремительное появление в популяциях патогенных микроорганизмов штаммов устойчивых или полностью нечувствительных к применяемым антибиотическим препаратам. Давление отбора, созданное нерациональным и потребительским применением антибиотиков за последнее десятилетие [1], вызвало неконтролируемый рост резистентности и распространение ее в общей популяции микроорганизмов.

В особой мере это затрагивает терапию воспалительных заболеваний пародонта и, в частности, пародонтита. Именно бактериальная инфекция является ведущим этиологическим фактором патологического процесса при инфекционном пародонтите, а в случае травматического пародонтита или «пародонтального синдрома» при ряде соматических заболеваний ее практически непременное присоединение и последующее влияние на течение заболевания быстро затмевает изначальные.

Бóльшая часть пародонтопатогенной микрофлоры представлена анаэробными микроорганизмами, обладающими разнообразием вирулентных свойств и способностью к колонизации [2]. Наиболее агрессивными представителями являются пародонтопатогенные виды первого порядка: Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Tannerella forsythia, Porphyromonas gingivalis («красный комплекс» по Socransky, 1998) и второго порядка – Eikenella corrodens, Fusobacterium nucleatum/periodonticum, Prevotella intermedia, Treponema denticola и др. [3]. Пародонтопатогены 1-го порядка имеют обширный арсенал факторов инвазии и нарушения структурной и функциональной целостности десневого эпителия [4]. Результатом упомянутого ранее нерационального назначения антимикробных препаратов становятся внушительные темы развития антибиотикорезистентности у пародонтопатогенной флоры и формирование структурированных биопленок, затрудняющих эффективность терапевтического лечения воспалительных заболеваний пародонта [5].

Специфичность анатомии и физиологии пародонта при глубокой и значительной его альтерации в ходе воспалительного и репаративного процессов вкупе с биофизической устойчивостью, создаваемой парадонтопатогенной флорой биопленки, требует крайне точного, своевременного и сочетанного применения хирургических и терапевтических методов лечения.

На данный момент «золотым стандартом» и основой терапией пародонтита является хирургическая обработка области поражения: кюретаж, скейлинг и рутпленинг (СРП), завершаемые при необходимости лоскутной операцией [6]. Значимость этих методов заключается в иссечении измененных тканей, зубного камня и налета – основных буферов микробных единиц, их антигенов и избытка иммунных клеток [7]. Эффективность этих методов была многократно доказана в клинических исследованиях и не ставится под сомнение [8].

Однако хирургические вмешательства ввиду своей природы не способны полностью удалить патогенную флоу и ее биопленки, особенно в глубоких пародонтальных карманах без адекватного доступа [9]. Кроме того, оно не может препятствовать проникновению этих микроорганизмов и их метаболитов в ткани пародонта. Помимо этого, за счет собственной инвазивности вмешательство само по себе провоцирует и расширяет очаг воспаления в ходе естественного ответа на повреждение тканей и создает риск расселения вегетативных и споровых форм микроорганизмов с антигенными частицами матрикса биопленки, тем самым предрасполагая пародонтит к обострению, полидромии и хронизации [10]. В глубоких пародонтальных карманах пародонтальные патогены, недоступные хирургическим методам, могут расти в биопленках, которые демонстрируют различные механизмы биофизической устойчивости, и, хотя до недавнего времени адъювантная антимикробная терапия и могла усиливать терапевтический эффект, воздействуя на патогены [11], с учетом освещаемой возросшей резистентностью искомых патогенов вопрос достаточности хирургических методов лечения стоит особенно остро. Отдельно стоит отметить способность некоторых персистентных видов проникать в эпителиальные клетки десны и скрываться в них, тем самым избегая воздействий клеточного и гуморального иммунитета хозяина и препаратов антимикробной терапии [12].

Рассматривая в схожем ключе оставшиеся элементы комплексной терапии пародонтита, стоит понимать, что эффективность применения препаратов патогенетической и саногенетической терапии первоочередно и прямо зависит от полноты подавления этиологического фактора воспаления – собственно бактериальной инфекции.

Кроме того, нельзя не указать на отрицательные стороны ключевой для патогенетической терапии пародонтита группы препаратов – стероидных гормонов. В условиях недостаточности антибактериальной терапии глубокое подавление иммунного ответа, вызываемое этими препаратами, крайне отрицательно сказывается на течении заболевания и репаративных процессах в тканях пародонта [13].

Таким образом, становится явной проблема современной конвенциальной комплексной терапии пародонтита – фактическое «выпадение» этиотропной терапии из комплекса приводит к радикальному снижению его эффективности в связи с сохранением активности основного этиологического фактора в лице бактериальной инфекции и усугубляющимися на этом фоне ранее скомпенсированными побочными эффектами хирургической и лекарственной терапии.

Техническим решением данной проблемы является применение такого метода терапии, что при минимальной инвазии и опасности для пациента обладал бы значительным этиотропным действием, к которому у патогенной флоры физически не может развиться сопротивляемости – таковой является ФДТ, в частности ее вариант с применением низкоуровневых лазеров, что уже давно привлекло внимание специалистов в качестве альтернативного подхода к лечению пародонтита [14].

Для проведения данного литературного обзора были использованы базы данных PubMed, Scopus, Web of Science и Cybeleninka. Поиск проводился с использованием ключевых слов: «фотодинамическая терапия», «пародонтит», «низкоуровневый лазер», «лечение», «оральная микрофлора».

Включение в обзор статей производилось по следующим критериям.

1. Тип исследования: клинические исследования, экспериментальные исследования, обзоры, метаанализы.
2. Язык: английский, русский.
3. Период публикации: с 2000 года по настоящее время.
4. Тематика: применение фотодинамической терапии в лечении заболеваний пародонта; влияние лазерного излучения на собственные и микробные клетки.

Из полученных результатов были отобраны статьи, отвечающие всем вышеперечисленным критериям.

Метод ФДТ заключается в нанесении специального светоактивируемого вещества, называемого фотосенсибилизатором, на участок пораженных тканей с последующей активацией его светом возбуждения, используя светодиод или лазеры с различной длиной волны. Активированный фотосенсибилизатор переходит в возбужденное состояние (альтернативно, фотосенсибилизатор может переходить в возбужденное триплетное состояние путем межсистемного пересечения) и реагирует с окружающими соединениями по одному из двух механизмов: реакция типа I происходит, когда заряженные частицы, такие как электроны, переносятся на окружающие субстраты (в данном случае собственные ткани и большей степени – бактериальные единицы, их антигены и матрикс биопленки), образуя радикалы из-за присутствия полученного неспаренного электрона. Молекулярный кислород прямо или косвенно участвует в этом пути реакции, образуя анионный радикал, известный как супероксидный анионный радикал (супероксид). Супероксидный радикал может быть дополнительно восстановлен с образованием перекиси водорода, которая также может быть восстановлена образованием высокореактивных свободных гидроксильных радикалов посредством реакций, подобных тем, что происходят с реагентом Фентона; в то время как в реакции типа II энергия передается триплетному молекулярному кислороду в основном состоянии, создавая синглетный кислород – возбужденную форму кислорода, которая намного более реакционноспособна, чем ее триплетный аналог в основном состоянии [15].

Активные формы кислорода, образующиеся во время этих реакций, взаимодействуют с рядом биомолекул, таких как липиды, белки и нуклеиновые кислоты, вызывая их окислительную инактивацию. Это приводит к значительному повреждению различных микроорганизмов, таких как бактерии, вирусы и грибки, через внутриклеточные каскады [16].

Сила антибактериального эффекта ФДТ разнится в зависимости от применяемого фотосенсибилизатора и типа источника света возбуждения. Однако при ближайшем рассмотрении и сравнении результатов различных исследований in vitro и in vivo становится видна тенденция усиления антибактериального воздействия при использовании вместо светодиодов источников с длиной испускаемой волны около диапазона в 600 нм – так называемых низкоуровневых лазеров (НЛ).

Так, Javali et al. провели эксперименты со светоизлучающим диодом (LED) при 430 нм в качестве источника света и двумя различными фотосенсибилизаторами, метиленовым синим (MB) и оксидом титана (TiO₂), что привело к снижению P. gingivalis на 54,55 и 63,38% соответственно [17]. В то время как Park et al. возбуждали 0,3 мМ толуидинового синего О (TBO) светодиодом при длине волны в 650 нм, что приводило к 99% снижению P. gingivalis [18]. Аналогично Lu et al. использовали лазер с длиной волны 650–660 нм для возбуждения катионного аминокислотно-порфиринового конъюгата 4i, что приводило к 99,95% снижению P. gingivalis [19]. Отдельно отмечаются результаты исследования Oruba et al., обнаруживших, что 0,001 мг/мл ТBО при активации красным светом (что соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625–740nm) эффективно уничтожает планктонный P. gingivalis [20].

Также в своем исследовании планктонного роста Javali et al. использовали светодиодный свет с длиной волны 430 нм и 0,01% MB или TiO₂, что привело к элиминации 65,04% и 70,19% планктонных A. actinomycetemcomitans соответственно. И вновь Park et al. обнаружили, что 0,3 мМ ТБО и светодиодный свет с длиной волны 650 нм эффективно снижают жизнеспособность планктонных A. actinomycetemcomitans на значительные 90%. И хотя, исследуя случаи, когда A. actinomycetemcomitans образует биопленку, Etemadi et al. использовав диодный лазер с длиной волны 635 нм для активации 125 μ г/мл фитоцианина, получили гораздо более скромные результаты в уменьшении популяции – лишь 40,07%, в это же время Su et al. обнаружили, что ФДТ позволяет достичь уровня ликвидации в 98% [21][22].

Помимо этого, Javali et al. обнаружили, что светодиодный свет (430 нм), активированный 0,01% MB, может привести к снижению F. nucleatum в состоянии фитопланктона на 56,18%, в то время как, когда он активируется 0,01% TiO₂ – на 62,63%. Park et al. также обнаружили, что 0,3 мМ ТБО в комбинации со светодиодным светом (650 нм) уменьшали популяцию F. nucleatum примерно на 99%. Отличительно, Mang et al. продемонстрировали, что использование 40 μ г/мл порфимера натрия в сочетании с диодным лазером 630 нм при 100 J/cm² может уничтожить почти 100% единиц F. Nucleatum [23]. Эффективность данного лечения варьировалась в зависимости от модели роста патогенных микроорганизмов (планктонная или биопленка), причем фотодинамическая терапия показала большую эффективность против бактерий при планктонном росте.

Стоит отметить, что помимо вышеупомянутых наиболее распространенных в пациентах пародонтопатогенных видов множество исследований показали, что ФДТ с НЛ оказывает очевидное антибактериальное действие и на многие другие патогенные для пародонта виды. Abuderman et al. сообщили, что лечение с ее помощью оказалось более эффективным, чем обособленное применение конвенциональных методов, для удаления Campylobacter rectus из зубных бляшек у пациентов с периодонтитом стадии II [24]. Кроме того, она значительно ингибировала рост P. intermedia. В собственном исследовании команда Nie et al. также обнаружила, что такая ФДТ оказалась эффективна в снижении жизнеспособности мультиштаммовых биопленок оральной микрофлоры in vitro [25].

Столь явный перевес эффективности при применении источников света возбуждения с большей длиной волны объясняется спецификой распространения света в тканях. Проникновение сквозь них света – крайне сложный физический процесс, поскольку световая волна либо рассеивается, либо поглощается основными клеточными элементами, а степень обоих процессов зависит от типа ткани (ее биохимического состава) и в особенности – от длины волны проникающего света [26]. Характеристики поглощения света тканями уменьшаются с увеличением длины волны, следовательно, более длинные волны света более эффективно проникают через живую ткань [27].

Наглядно это можно увидеть, обратив внимание на результаты клинических испытаний лазерной ФДТ в пациентах, прошедших СРП, проведенных Muzaheed et al., применявших активируемый лазером Метиленовый синий в концентрации 0,05 мг/мл [28]. Исследуя состав бактериального налета после различных по числу повторений вариантов применения лазерной ФДТ, им удалось добиться средней элиминации различных штаммов пародонтопатогенной флоры в 76% и выше.

Помимо сильнейшего бактерицидного действия низкоуровневое лазерное облучение отличается рядом биомодуляционных эффектов на собственные клетки человека, инструментальных в стабилизации и разрешении патологического процесса при пародонтите.

Прежде всего отмечается их способность в ходе ФДТ уменьшать инфильтрацию тканей пародонта макрофагами – одних из самых важных клеток во врожденной иммунной системе, играющих особую роль в адаптивном иммунном ответе [29].

Репрограммирование макрофагов в тканях пародонта в неагрессивный фенотип М2 является одной из новых перспективных методик лечения пародонтита, доказывающая важность смены этих клеточных популяций для нормализации процессов репарации [30]. Применение же ФДТ с НЛ позволяет добиться аналогичного эффекта на ранних этапах лечения, индуцировав апоптоз нежелательных агрессивных макрофагов фенотипа М1 через митохондриальный путь и снизить тем самым объем их повреждающего действия на альвеолярную кость и мягкие ткани [31].

Также воздействие лазерного излучения в ходе ФДТ «рекрутирует» лимфоциты. Xie et al. подтвердили, что ее проведение может активировать иммунитет, опосредованный Т-лимфоцитами [32]. Модель периодонтита в крысах Wistar показала высокий уровень экспрессии лимфоцитов в тканях пародонта через 3 дня после лечения ФДТ с НЛ [33]. Совместно с этим она значительно снижает число клеток Лангерганса в затронутых тканях [34].

Особое терапевтическое значение имеет влияние НЛ на фибробласты десны человека – самые распространенные в ней клетки, играющие важную роль в прогрессии пародонтита, регулируя воспалительные каскады и репаративные процессы [35]. В упомянутом выше исследовании на модели Wistar команда Astuti et al. выявила прямую корреляцию между применением лазерной ФДТ и увеличением содержания десневых фибробластов в пародонте зараженных крыс. В то время как Asl et al. отметили, что она усиливает в фибробластах экспрессию генов, связанных с заживлением ран, таких как регуляторы синтеза интерлейкина-6 (IL-6), фибронектина (FN), коллагена типа I и факторы роста фибробластов [36].

Специфичны также эффекты ФДТ с НЛ на поведение остеобластов и остеокластов альвеолярной кости – ускоряя дифференциацию первых и угнетая активность вторых [37]. В целом исследования in vivo показывают заметное улучшение состояния альвеолярных костей при пародонтите в случае совместного применения ФДТ и хирургических методов [38].

Преимущества применения низкоуровневых лазеров для заживления повреждений мягких тканей давно и многократно подтверждались многими исследованиями [39]. Не меньше контролируемых клинических исследований оценивали влияние фотобиомодуляционной терапии низкоуровневыми лазерами (ФБТ) в качестве дополнительной терапии к нехирургическому лечению пародонтита. И хотя научное сообщество остается несколько скептичным к данному методу, ряд авторов сообщили, что результаты являются многообещающими в связи с продемонстрированным положительным эффектом этой терапии в кратко- и среднесрочной перспективе [40].

Экспериментальные исследования, оценивавшие эту терапию как дополнение к лечению заболеваний пародонта, экспериментально индуцированных у животных, доказали эффективность ФБТ. Garcia и Theodoro с коллегами наблюдали снижение потери альвеолярной кости у животных, системно модифицированных кортикостероидами (дексаметазоном), химиотерапией, никотином, истощением эстрогена. По их мнению, данные эффекты обусловлены способностью низкоуровневых лазеров стимулировать ангиогенез, контролировать пролиферацию воспалительного процесса и, следовательно, ускорять процессы регенерации тканей. Ими также была отмечена зависимость уровня контроля потери альвеолярной кости, воспаления и модуляции иммуновоспалительного ответа от количества сеансов ФБТ [41].

Особое внимание стоит обратить на доказанное влияние облучения низкоуровневыми лазерами и образующихся в ходе происходящих при нем фотохимических реакций АФК на экспрессию генов клеток человека.

Облучение НЛ вызывает сдвиг общего окислительно-восстановительного потенциала клеток в направлении большего окисления и увеличения генерации АФК и окислительно-восстановительной активности клеток [42]. Изменения в последней влияет на активность межклеточных сигнальных путей, контролирующих активацию синтеза нуклеиновых кислот, белка, активацию ферментов и ускоряют прогрессирование клеточного цикла. Помимо этого было доказано, что активность ряда факторов транскрипции напрямую зависит от окислительно-восстановительного потенциала клетки [43].

Именно основываясь на способности НЛ модулировать клеточный метаболизм и изменять факторы транскрипции, было обнаружено, что они изменяют экспрессию генов [44]. Последующие исследования доказали, что облучение НЛ стимулирует рост клеток непосредственно через регуляцию экспрессии генов, связанных с пролиферацией клеток, и косвенно через подавление генетически обусловленных процессов апоптоза и регуляции экспрессии генов, связанных с миграцией и ремоделированием клеток, синтезом и восстановлением ДНК, потенциалом ионных каналов и мембран, а также метаболизмом клеток [45].

При столь обширном спектре положительных эффектов применения низкоуровневых лазеров как в ФДТ в качестве источника света возбуждения, так и отдельно в виде ФБТ, не вызывают удивление многочисленные положительные отзывы об улучшении эффективности терапии пародонтита при их использовании совместно с конвенциальными методами.

Клинические исследования показали, что хирургическое лечение при поддержке ФДТ с низкоуровневыми лазерами приводит к значительному снижению уровней провоспалительных цитокинов, включая IL-1 β, IL-6, TNF-α и MMP-8, вместе с увеличением экспрессии противовоспалительных цитокинов, таких как IL-10, в десневой жидкости в сравнении с обособленным их применением [46][47]. Также Garg et al. обнаружили, что лазерная ФДТ также ассоциирована со стимуляцией различных иммунных процессов, таких как реакция острой фазы, каскад комплемента и производство хемокинов [48].

В целом множество работ подтверждают, что применение лазерной ФДТ совместно с СРП приводит к гораздо более значимому снижению ключевых показателей тяжести пародонтита (глубина пародонтального зондирования, гингивальный индекс, индекс зубной бляшки и т. д.), чем изолированное применение СРП [49]. Нельзя также игнорировать и экономические предпосылки для внедрения метода с таким высоким соотношением результативности к затратам на применение, что лишь обостряется в контексте эпидемиологической значимости пародонтита, как одной из самых распространенных патологий челюстно-лицевой области [50].

Выводы

В заключение стоит еще раз отметить, что современная медицина нуждается в активном внедрении новых эффективных методов лечения. Фотодинамическая терапия обладает исключительным антибактериальным действием, не затрагиваемым резистентностью бактерий, а также выказывает потенциальные биологические модуляторные эффекты, ингибируя медиаторы воспаления и цитокины, способствуя хемотаксису клеток, уменьшая потерю и способствуя восстановлению альвеолярной кости, тем самым способствуя заживлению пародонта. Применение же в ее составе низкоуровневого лазера в качестве источника света возбуждения для фотосенсибилизатора не только решает проблему снижения эффективности воздействия в глубоких пародонтальных карманах за счет большей пробивной способности лазера по сравнению с используемыми светодиодными источниками видимого спектра, но и усиливает биомодуляционные эффекты, в частности регулируя экспрессию генов клеток затронутых тканей. И хотя дальнейшие исследования необходимы для частного определения эффективности фотодинамической терапии с низкоуровневыми лазерами обособленно или совместно с конвенциальными методами терапии пародонтита, современные достижения в синтезе бактериоспецифичных фотосенсибилизаторов и совершенствовании протокола и аппаратного обеспечения данного метода все больше расширяют перспективы его применения в составе комплексной терапии пародонтита.