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抗菌光動力治療在牙周疾病的應用~文/賴辰雄教授修改提供

(文/賴辰雄教授修改提供)

摘要

目前正崛起之「抗菌光動力治療法」(Antimicrobial Photodynamic Therapy 或簡稱aPDT)應用在微生物防治上的研究已有相當的成效。此方法主要包含三大元素︰光感劑、光與氧;作用原理是利用活性氧自由基及單價氧來去除細菌。其優點除了作用時間短、對患者的正常細胞與組織無傷害、無副作用與無術後留疤問題外,標榜使用低濃度與低劑量光感劑(photosensitizer)就即效的完全殺菌效果。光動力治療已應用在牙科醫學領域中,成為治療牙周病的新補助療法。必須強調的是此治療模式雖可使用LLT雷射儀但因對患者的正常細胞與組織無傷害、無副作用、故不等於一般所熟知的的雷射療法。

慢性牙周炎(Chronic Perioodontitis)發生於多數成年人,是一種細菌感染的疾病。主要致病菌是具有蛋白質水解活性之革蘭氏陰性厭氧菌Porphyromonas gingivalis,Tannerella forsythia以及屬於微小型Spirochetes 的Treponema denticola會在牙齦溝間形成牙菌斑(Sub-gingival biofilm),能破壞骨組織導致齒槽骨的萎縮。輕度患者治療方式以洗牙刮除與牙根整平術(Scaling and root planning, 或簡稱SC/RP)為主要方法,而重度患者則再處以切除性或再生性牙周手術,輔與無抗藥性的系統抗生素藥物治療,此時必須先送檢体至專為牙科醫師設立的口腔厭氧微生物鑑定實驗室作抗生素敏感測驗(Antibiotic Susceptibility Test),方可確定開立對該患者無抗藥性的有效系統抗生素藥物治療(Systemic Antibiotic Therapy)。必要時須作進一歩的牙周手術治療。另外目前亦有應用抗菌光動力療法來補助傳統的牙周炎SC/RP治療模式。由於aPDT無抗生素藥物抗藥性的疑慮,因此aPDT用為傳統牙周炎的補助療法更加有長期療効之功。目前aPDT已有十年以上的基礎與臨床實証。



光動治療法

1.PDT作用機制

將光照用在疾病治療上已行之有年,最早是將雷射用治療醫學上,例如在結核病或軟骨病的處理治療;而後光吸收模式與不同染料的螢光性質、作用機制研究報告不斷產出,使得生物系統中「光動力反應」得以更加清楚釐清。

光動力治療(Photodynamic therapy,簡稱PDT)近年來被廣泛用在臨床醫學上,包括在癌症治療、皮膚病、微生物感染或醫學美容上。被定義為是一個光感物質(photosensitizer; PSs)與特定波長的光之間藉由氧氣作媒介的反應。當光感劑受到合適的光照射會從基態(ground state)轉為激態(excited state),會分成二種反應路徑而對腫瘤組織造成非專一性的破壞,整理如表1所示。

因為光動力療法具有非侵入性、能破壞腫瘤組織及不會傷害周圍正常組織等優點,所以可與傳統化療、放療合併使用,這種治療方式已經陸續被利用在癌症治療上。

二十世紀初期光動力治療學便已應用於抑制微生物之生長。光動力殺菌(Photodynamic inactivation,PDI)是指當光動力作用在細胞膜時會破壞細胞膜的完整性,而使得離子通透性增加或喪失細胞膜的流動性;並會破壞呼吸傳遞酵素而殺滅細胞。研究報告指出以藻藍素作為光感劑,LED(Light emitting diodes)為光源,於菌體懸浮狀態與生物膜狀態下,對革蘭氏陽性與陰性菌進行光動力抑制,結果發現G(+)在100μg/ml即有抑制效果,G(一)在900μg/ml即有抑制效果,G(-)在900μg/ml亦可將生物膜菌體完全殺滅。這是由於G(+)與G(-)細胞膜組成不同,而造成不同效果。

反應路徑 機制 生成物
TypeⅠ 激態光感劑經電子移轉與受質反應而形成自由基。
1.自由基與氧氣發生作用而產生對細胞具有毒性的反應生成物。
2.破壞癌組織周邊血管,阻斷營養和氧氣的供給而抑制癌細胞。
3.引發免疫反應。
具細胞毒性物質如︰
Superoxide
Hydroxyl radical
Lipid-devered radical
TypeⅡ 激態(excited state)光感劑經能量轉移與淚態氧(groud-state triplet oxygen, O2)發生作用而產生單態氧(excited-state singlet oxygen, O2)。
1.直接攻擊細胞造成凋亡(apoptosis)或壞死(necrosis)。
2.與核酸、蛋白質、脂質等發生氧化,殺死微生物或癌細胞。
具高能之自由基︰O2

表1 光動力治療反應路徑

2.光感劑應用狀況

光感劑用於臨床治療選擇有以下幾個依據:

(1)結構明確,具可合成或純化特性。

(2)可存於組織或細胞中。

(3)little dark toxicity只有在進行PDT時才具對病原菌或癌細胞產生殺滅效果。

(4)具有好的單態氧或活性氧產出。

(5)600~800nm時具有最強吸收值。

目前光感劑主要分成三大類別(參考表2): Porphyrin platform, chlorophyll platform, 及染劑(dyes)。市售光感劑包括︰PHOTOFRIN(Porimer Sodium)、Visudyne和Levulan(5-胺基酮戊酸,ALA)已通過美國食品與藥物管理局(FDA)核可,主要用在腫瘤、老年性眼底黃斑病變、光角化病的光動治療;英國Scotia的光動力治療藥物Foscan主要是用為解緩病情用藥;而挪威PhotoCure公司研製的Metvix在奧地利等國主要用於基底細胞癌、光化性角化病等治療。

分類 目前臨床使用之光感物質
Porphyrin platform HpD, HpD-based BPD, ALA, Texaphyrins
Chlorophyll platform Chlorins, Purpurins, Bacteriochlorins
Dyes Phtalocyanine, Napthalocyanine, Methylene Blue, Toluidine blue

表2 光感劑種類



牙周病

1.牙周病病理與傳統治療

牙周病是牙齒周圍組織細菌感染而導致慢性發炎疾病,致病過程是細菌先在牙齦與牙齒交接溝槽中聚集與吸附,形成牙菌斑(Dental Plaque; Oral Biofilm),慢慢逐漸鈣化形成牙結石(calculus),造成牙齦的發炎、牙齦組織的破壞,進而造成齒槽骨的流失。依發病嚴重程度可分成四個階段,包括牙齦炎(gingivitis)、輕度牙周炎(mild periodontitis)、中度牙周炎(moderate periodontitis)及重度牙周炎(severe periodontitis)。

臨床研究發現牙周炎患者C-reactive protein(CRP)、fibrinogen(Fb)、IL-6會提高,它們除了是發炎反應的三個指標外,也是心臟疾病的危險因子。此外也有文獻指出牙周病會增加患者罹患包括心血管疾病、感染性心內膜炎、糖尿病、呼吸系統疾病等疾病的機率。

推究原因是許多不同的菌種形成牙菌斑而促使發炎發生,所以將牙菌斑去除或減少細胞感染是牙周病預防與治療方式。一般治療方式可分成非手術性牙周治療(包括洗牙及牙根整平術)與手術性牙周治療(切除性或再生性牙周手術)二種。

a.牙周翻瓣及修骨手術

主要目的是降低囊袋深度,使牙齒緊貼附牙齒表面,讓病人容易清潔維護。

b.牙周再生手術

讓失去的牙周組織再長回來,可以使用生長因子或骨頭移植、覆蓋再生膜。

2.牙周病致病菌

牙周病主要的致病菌種有︰Aggregatibacter (Actinobacillus) actinomycetemcomitans (A.a.)、Porphyromonas gingivalis (P.g.)Tannerella forsythia (T.f.)Treponema denticola(T.d.)。其中,P.g.,T.f.T.d.是慢性成人型牙周炎(Chronic Periodontitis)的主要病源菌,而A.a.則為Aggressive Periodontitis 包括Prepubertal及Localized Juvenile Periodontitis的主要病原菌。

Porphyromonas gingivalis,屬於革蘭式陰性呈現黑色桿狀的厭氧菌種,此病菌利用鐵來形成血紅素。它會與其它細菌、上皮細菌、細胞外基質蛋白黏附,其所分泌的毒素、溶血素使得此菌能在組織間分佈且破壞,甚至是躲避宿主的防禦能力。主要是藉由改變細胞骨架構造才得以侵入。另外,P. gingivalis亦具有蛋白質水解的活性,包括:trypsin-like、collagenolytic、glycylproly peptidase activities。

3.PDT在牙周病的研究與應用

許多光感劑在輻射照射下具有殺菌的效果,特別是Methylene blue及Toluidine blue應用於口腔抗菌光動力療法最具潛力(參考表三),尤其是HELBO公司所研究發展出的aPDT光感劑,因其特有專利針對引起牙周炎,植體周圍炎與根管感染等病原菌及兼顧其藏居環境場設計的Photosensitizer更具特效。聚積在牙齒表面及牙周囊袋或被感染的根管內的細菌,很容易被經過光照射所活化的光感劑作用殺死。目前已有許多相關研究以光動力的方式將牙周病菌叢殺滅,當然,這些實驗最終目標是要將PDT實際應用在牙周病,植體周圍炎與根管感染的治療上。

目前相關研究很多。例如針對Gram(+)與Gram(-)不同的研究報告顯示Gram(+)菌對PDT作用較為敏感,亦有文獻發現PDT-resistan Gram(-)菌,這些跟菌體細胞壁的組成(圖1)與光感劑的選擇有關。另外,PDT和對抗生素藥物具抗藥性的微生物其影響亦是另一個現今熱門的研究主題,醫院感染主要病原菌具頑強抗藥性的Pseudomonas aeruginosa和MRSA,可經由PDT法完全殺滅。因此HELBO之aPDT具有優於抗生素的抗菌療法,也就是可以解決抗生素抗藥性的問題,無須昂貴的抗生素,除確實療效外,亦降低醫療成本。另外,有研究報導以PDT針對牙周病進行活體鼠內實驗,PDT對慢性牙周炎主要病源菌Porphyromonas gingivalis的確具致死效果,且此實驗更證實可以減少齒槽骨受到G(-)細菌內毒素(Endotoxin)的破壞。因此對牙周病而言,光動力療法是有效抗菌治療的方法。

圖1 Gram-positive與Gram-negative菌壁 (Bacterial cell wall)的結構圖


Photosensitizer K(nm) Microorganisms
(a)Cell cultures in vitro

Prophyrins(endogenous) 488, 514 P.e., P.g., Pr.d., Pr.i., E. coli, St. aureus, P. aerug, BPB
Chlorin-e6-Polylysine 635-695 P.g., F.n., A.a., A. viscosus, streptococci
Toluidine blue 633 Strept. Sanguis versus gingival cells
Toluidine blue 633 P.g.
Toluidine blue 905 A.a., P.g., Pr.i.
Toluidine, methylene blue
P.g., S. sanguis
Al. Phthalocyanine
Str. Mutans, S. sobrinus, Lactobac. Casei, A. viscosus
TBO-antibody conjugate 633 P.g., S. sanguis
Chlorine-e6
P.g., F.n. and Capnocytophaga gingivalis
(b)In vitro-biofilm-plaque

Zn-Phthalocyanins White Mixed plaque strains
Porphyrins(endogenous) 633 P.g., A.o., Pr.i., Propionibact. Acnes, Strept. Mutans
Methlene blue 666 Actinomyces viscosus
Endogenous dyes 488-514 P.g., P.e., Pr.i., Pr.d. – E.coli, Streptokokken, Staph.
Toluidine blue 633 P.g., F.n., multi-species biofilms
Al. Phthalocyanin/TBO Ga/Al/Ars Streptococci and Actinomyces
MB/TBO 633 Streptococcus sanguis, P.g., F.n., A.a.
Chlorins
Red Plaque bacteria, A. naeslundii
(c)In situ: implantitis or periodontits

Toluidine blue 690 A.a., P.g., Pr.i., 30patients
Toluidine blue 905 A.a., P.g., Pr.i., 15patients
Toluidine blue 906 Treatment of inflammation, 17patients
Methlene blue Ga/Ars Anaerobes, 10periodontitis patients
Toluidine blue
36 dental implants indogs
Toluidine blue 630 P. gingivalis in rats

表3 牙周病致病菌可適用的光感劑及光源波長

Abbreviations: A. a., Actinomyces actinomycetemcomitans; P.g., Porphyromonas gingivalis; Pr.i., Prevotella intermedia; Pr.d.

, Prevotella denticola: P.e., Porphyromonas endodontalis; F.n., Fusobacterium nucleatum; A.o., Actinomyces odontolyticus;

BPB, black pigmented bacteria.



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(備註)

一、編校醫師與研究員︰

賴辰雄教授.郭震邦碩士研究員

金屬工業研究發展中心醫療器材組 郭獻南組長.簡季清碩士研究員

二、本文由賴辰雄教授修改並同意轉刊,特此致謝


編校醫師簡歷/賴辰雄醫師

美國賓州大學牙醫學博士
日本大阪齒科大學齒學微生物博士
中山醫學大學牙醫學系
Adjunct Professor, University of Pennsylvania
臺灣口腔生物科技暨醫療器材產業發展促進會理事長
人工牙根產業發展促進會 會長
金屬工業研究發展中心 顧問
台北醫學大學 客座教授
中山醫學大學醫學院 兼任教授
高醫生命科學院 專任客座教授
厭氧暨口腔微生物研究與鑑定實驗室 創設兼負責人
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