Экспериментальное обоснование выбора параметров источника света для проведения фотодинамической терапиипри кариесе дентина

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКА СВЕТА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ ПРИ КАРИЕСЕ ДЕНТИНА

Чистякова Галина Геннадьевна, кандидат медицинских наук, доцент кафедры общей стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск

Дик Сергей Константинович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электронной техники и технологии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, академик Белорусской инженерной академии, Минск

Chistyakova Galina G., PhD, Associate Professor of the Department of General Dentistry of the Belarusian State Medical University, Minsk Dick Sergey K., PhD, Associate Professor of the Department of Electronic Technology and Technology of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk Experimental substantiation of a choice of parameters of a light source for carrying out

of photodynamic therapy at caries of a dentin

Резюме. Фотодинамическая терапия оказывает высокий бактерицидный эффект и исключает возможность формирования резистентности, что является большим преимуществом по сравнению с традиционными антисептическими средствами в стоматологии. Данная перспективная методика может применяться с целью профилактики развития вторичного кариеса для удаления патогенных микроорганизмов из дентинных канальцев. Однако активация фотосенсибилизатора излучением определенной длины волны и мощности может вызвать нагревание пульпы зуба, что приведет к нарушению в ней микроциркуляции вплоть до некроза. Именно поэтому необходимо оптимизировать параметры лазерного и светодиодного излучения при проведении фотодинамической терапии, что позволит минимизировать вредное воздействие на жизнеспособность пульпы.

Ключевые слова: фотодинамическая терапия, фотосенсибилизатор,«Фотолон», лазерное излучение, светодиодное излучение. Современная стоматология. — 2018. — №2. — С. 79—83.

Summary. Photodynamic therapy has a great advantage over different traditional antiseptics in many areas of dentistry due to the high bactericidal effect and the absence of the resistance development. This promising technique can be used to prevent the development of secondary caries, removing pathogens from the dentinal tubules. However, activation of the photosensitizer by radiation of the specific wavelength and power can cause heating of the tooth pulp, leading to disruption of microcirculation in it, up to necrosis. It is therefore necessary to optimize the parameters of laser and LED light during photodynamic therapy, which would exclude harmful effects of this technique on the viability of the pulp. Keywords: photodynamic therapy, photosensitizer, "Fotolon", laser radiation, LED light radiation. Sovremennaya stomatologiya. — 2018. — N2. — P. 79—83.

Кариес является одним из самых распространенных стоматологических заболеваний. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, распространенность кариеса достигает 97-98% среди населения Земли. По данным П.А. Леуса, среди населения Республики Беларусь в возрастной группе 35-45 года распространенность кариеса составляет 99%. На фоне высокой заболеваемости кариесом зубов растет распространенность его осложнений -пульпита, апикального периодонтита. Доказательством тому являются данные о том, что обращаемость населения республики по поводу пульпита и периодонтита составляет 40-45% от всех посещений к стоматологу. Такая рас-

пространенность осложнений кариеса говорит о необходимости использования более эффективного метода дезинфекции дентинных канальцев, который обладал бы выраженным бактерицидным эффектом и в то же время не влиял бы на здоровые ткани зуба [1, 7].

Это возможно осуществить с помощью новой и перспективной методики - фотодинамической терапии (ФДТ), которая обеспечивает более полноценное, чем обычные антисептические средства, удаление кариесогенных бактерий из пораженных тканей зуба. В основе данной методики лежит цитотоксическое действие фотосенсибилизатора, который в присутствии света определенной длины волны выделяет чрезвычайно активное соединение - синглетный кислород.

Взаимодействуя с белками и другими макромолекулами, синглетный кислород запускает каскад свободнорадикальных реакций, в результате которых разрушается оболочка бактериальной клетки [2-4].

В стоматологии метод ФДТ впервые был применен T Burns, M. Wilsen, G.J. Pearson в 1993 году. Эффективность методики наблюдали на примере деструкции кариесогенной микрофлоры in vitro (Streptococcus mutans, Streptococcus sobrinus, Lactobacillus casei и Actinomy-ces viscosus). В работе были оценены бактерицидные свойства собственно фотосенсибилизатора, лазерного излучения и их сочетанного воздействия. По результатам исследования, максимальной эффективностью обладало сочетание фотосенсибилизатора с ла-

зерным излучением. В настоящее время перспективы применения ФДТ во многих областях терапевтической стоматологии достаточно велики благодаря высокому бактерицидному эффекту и отсутствию резистентности, характерной для традиционных антисептических средств. При лечении кариеса использование ФДТ позволяет уничтожить оставшиеся бактерии в размягченном дентине и обеспечить условия для быстрого заживления. Это дает возможность удалять меньшее количество тканей и проводить более консервативное препарирование [5, 8-10].

Препарат «Фотолон» (Белмедпрепа-раты) по большей части удовлетворяет требованиям «оптимального» фотосенсибилизатора, поэтому является одним из наиболее перспективных препаратов на основе хлорина е6 и официально разрешен к клиническому применению [6].

Однако под воздействием лазерного излучения происходит нагревание твердых тканей и пульпы зуба. Повышение температуры внутри пульпарной камеры выше порогового значения обусловливает нарушение в ней микроциркуляции, может вызвать необратимые структурные изменения в пульпе зуба, вплоть до ее некроза. Поскольку при проведении ФДТ необходима активация фотосенсибилизатора лазером, то важным моментом является измерение температуры внутри пульпар-ной камеры. Использование ФДТ при лечении неосложненного кариеса требует определение максимально возможной мощности и длительности лазерного излучения, что обеспечит безопасность методики с учетом теплофизических параметров полости рта [11, 12].

Альтернативой лазерному излучению является излучение светодиода. Светодиодное излучение определенной длины волны, совпадающей с максимумом поглощения фотосенсибилизатора, также может быть использовано при ФДТ. Однако ультрафиолетовое излучение светодиодной лампы не исключает вероятность нагрева твердых тканей зуба, в том числе и повышение температуры внутри пульпарной камеры зуба. Исходя из этого, необходимо определить режим излучения, при котором нагревание пульпы было бы минимальным.

Цель исследования - определить экспозицию воздействия лазерного и свето-

диодного излучения для проведения ФДТ при кариесе дентина путем измерения температуры в пульпарной камере зуба.

Материалы и методы

Экспериментальные исследования проводились совместно с кафедрой электронной техники и технологий БГУИР. Статистическая обработка материала выполнялась на ЭВМ с использованием стандартного пакета программ прикладного статистического анализа STATISTICA 8.0.

В исследовании использовали 20 недавно удаленных зубов жевательной группы: по 10 образцов в исследуемую и контрольную группу. Образцы исследуемой группы обрабатывали 1% раствором фотосенсибилизатора «Фотолон», контрольной группы - дистиллированной водой. На время проведения эксперимента зубы находились в гидратированной среде.

На окклюзионной поверхности зубов цилиндрическим бором были искусственно созданы полости ящикообраз-ной формы (I класс по Блэку) с толщиной надпульпарного дентина 1 мм.

На боковой поверхности зубов в области эмалево-цементной границы шаровидным бором были сделаны отверстия диаметром 2 мм, проникающие в пуль-парную камеру зуба (рис. 1).

После вскрытия полости зуба через боковые отверстия была проведена экстирпация коронковой пульпы. Пульпар-ная камера и устья корневых каналов

заполнялись теплопроводящей пастой КПТ-8 ^М-1^огт) через отверстие на боковой поверхности зуба с помощью шприца и специальной канюли. Паста КПТ-8 является кремнийорганическим материалом, который обладает наиболее высоким наполнением теплопроводящего компонента. Поскольку данная паста -рентгеноконтрастная, то проведенное рентгенологическое исследование позволило проконтролировать равномерное заполнение пульповой камеры термопро-водящей пастой и толщину надпульпар-ного дентина 1 мм.

Для создания условий, максимально приближенных к реальным, исследование образцов зубов проводили в термостате с температурой, поддерживаемой на уровне 37 °С, и влажностью воздуха 90%. На рисунке 1 представлено схематическое изображение системы для измерения температуры внутри пульпарной камеры зуба. Каждый зуб поочередно устанавливался на специально разработанный штатив, к которому подсоединяется источник лазерного или светодиодного излучения (рис. 2, 3). Таким образом, лазерное/светодиодное излучение различной мощности попадало непосредственно на искусственно созданные полости в зубах под углом 900. При этом тепловая энергия передавалась твердым тканям зуба в направлении от окклюзионной поверхности к апексу. В качестве излучателей использовали лазерный диод с максимальной выход-

Рис. 1. Блок-схема системы для измерения температуры внутри пульпарной камеры зуба. Примечание: 1 - объект исследования

Рис. 2. Штатив с источником лазерного/ Рис. 3. Лазерный диод (слева) и светодиодная ультрафиолетовая лампа LEDEX WL-070 (справа) светодиодного излучения

ной мощностью 250 мВт, длиной волны 660 нм и светодиодную ультрафиолетовую лампу ЬБйБХ WL-070 с длиной волны излучения 460 нм и мощностью 1000 мВт. Время облучения составляло 8 минут. Для измерения температуры внутри пульпарной камеры зуба в отверстие на боковой поверхности зуба вводилась термопара прецизионного термометра ТРМ 202 (Овен, Минск). Базисным воском проводили изоляцию термопары. С помощью специального цифрового измерителя мощности излучения осуществляли контроль мощности лазерного и светодиодного излучения. В исследовании для ФДТ использовали препарат «Фотолон» (Белмедпрепараты, Беларусь) в виде порошка. Предварительно был приготовлен 1% раствор данного фотосенсибилизатора.

В исследуемой группе с помощью аппликатора раствор вносили в искусственно созданные полости на жевательной поверхности зубов и втирали в течение 2 минут. После этого раствор смывался водой в течение 10 секунд. Полости высушивали с помощью воздушной струи гидроаэратора. В образцах контрольной группы на искусственно созданные

полости на жевательной поверхности зубов наносили дистиллированную воду, с помощью аппликатора ее втирали в течение 2 минут. После этого смывали водой в течение 10 секунд. Полости высушивались с помощью воздушной струи гидроаэратора. Облучение образцов исследуемой и контрольной групп проводили лазерным излучением с длиной волны 660 нм и мощностью 50 мВт, 75 мВт, 100 мВт, 120 мВт 150 мВт и ультрафиолетовым светодиодным излучением с длиной волны 460 нм и мощностью 1000 мВт. Запись значений температуры проводили с четырехкратным повторением для каждого образца и 5-секундным интервалом при помощи прикладного программного обеспечения компьютера в течение 4 минут экспозиции. Всего проведено 499 измерений температуры внутри пульпарной камеры с применением лазерного источника облучения и 38 измерений с использованием ультрафиолетового светодиодного излучателя.

Результаты и обсуждение

Средние значения изменения температуры внутри пульпарной камеры зуба под воздействием лазерного и ультрафиолетового светодиодного излучения

представлены в виде их графической зависимости от времени экспозиции. В исследуемой группе образцов при воздействии лазерного излучения мощностью 120-150 мВт в течение 8 минут экспозиции температура внутри пуль-парной камеры зуба достигла порогового значения 40°С (М=3°С). При мощности лазерного излучения 150 мВт температура внутри пульпарной камеры достигает 40°С через 379±3,5 секунды; при мощности 120 мВт - через 415±3,2 секунды. Режимы воздействия лазерного излучения 50-75-100 мВт во всех сериях измерений не привели к увеличению температуры внутри пульпарной камеры зуба выше порогового значения 40°С (М=3°С) в течение 8 минут наблюдения. При мощности лазерного излучения 100 мВт через 8 минут экспозиции наблюдалось повышение температуры на 2,4±0,1°С, при 75 мВт - на 1,9±0,006°С, при 50 мВт - на 0,88±0,004°С..

Таким образом, при воздействии лазерного излучения мощностью 5075-100 мВт наблюдается стабилизация температуры внутри пульпарной камеры зуба за счет уравновешивания процессов поглощения тепловой энер-

а

-150 мВт

— —120 мВт  - -100 мВт —75 мВт ------50 мВт

Рис. 4. Зависимость изменения температуры внутри пульпарной камеры зуба от времени экспозиции лазерного излучения мощностью 50 мВт, 75 мВт, 100 мВт, 120 мВт, 150 мВт: а) в исследуемой группе образцов, б) в контрольной группе образцов

Рис. 5. Зависимость изменения температуры внутри пульпарной камеры зуба от времени экспозиции ультрафиолетового светодиодного излучения длиной волны 460 нм и мощностью 1000 мВт: а) в исследуемой группе образцов, б) в контрольной группе образцов

гии препаратом зуба и теплопередачи окружающей среде (рис. 4а). В исследуемой группе образцов под действием ультрафиолетового светодиодного излучения длиной волны 460 нм и мощностью 1000 мВт в течение 60±4 секунды экспозиции наблюдается увеличение температуры внутри пульпарной камеры зуба до 40°С (А1=3°С) (рис. 4б). Различие показателей термометрии в контрольной и исследуемой группах выявлено не было (рис. 5).

Во время проведения ФДТ такие факторы, как световое излучение и фотосенсибилизатор сами в отдельности не оказывают значительного антимикробного эффекта. Однако комбинация этих факторов позволяет достичь образования синглетного кислорода, который разрушает мембраны генетического материала клеток, что в конце концов приводит к быстрой гибели микроорганизмов. На эффективность ФДТ влияют разновидность и концентрация фотосенсибилизатора, режим и характер воздействия светового излучения, а также локальный статус (биопленка на поверхности зуба) [13-16].

Streptococcus тМапэ считается основным этиологическим агентом в развитии кариеса из-за его высокой концентрации в зубном налете, способности быстро расщеплять углеводы с образованием большого количества кислоты и его полной индифферентности к снижению рН. При лечении кариеса возможность частичного удаления деминерализованного дентина с последующей дезинфекцией инфицированного дентина, позволит сохранять большее количество тканей зуба. Предыдущие исследования доказали возможность

уничтожения всех четырех ассоциаций кариесогенных бактерий (S. mutans, S. so-brinus, Lactobacillus casei, Actinomyces viscosus) при помощи ФДТ [17].

Данный подход может быть использован для обработки инфицированного дентина перед пломбированием. При лечении кариеса ФДТ способна уничтожить остаточное количество кариесогенных бактерий и создать благоприятные условия для быстрейшего восстановления морфофункциональной целостности зуба. Это дает возможность применения ФДТ в минимально инвазивных техниках реставрационной стоматологии, а также улучшает прогноз лечения [18].

Существует множество других возможностей применения ФДТ. На данный момент проводятся исследования по изучению ФДТ в стоматологии до момента внедрения методики в клиническую практику [19, 20].

Перед тем как начинать клиническое исследование применения ФДТ при лечении кариеса зубов, необходимо доказать отсутствие вредного воздействия на жизнеспособность пульпы.

В результате экспериментальных исследований было доказано, что температура в пульпарной камере зуба повышается с увеличением длительности воздействия как лазерного, так и светодиодного излучения. Это еще раз подтвердило необходимость подбора безопасного для пульпы режима излучения. Разница показателей термометрии в исследуемой и контрольной группах образцов не была выявлена, что говорит об отсутствии влияния фотосенсибилизатора на повышение температуры внутри пульпарной камеры зуба. Из всех рассмотренных режимов лазерного излучения

максимально безопасным следует считать 50 мВт, так как повышение температуры в пульпарной камере зуба остается в допустимых пределах и имеет тенденцию кстабилизации.

Согласно физиологии, повышение температуры внутри пульпарной камеры зуба до 40°С, возникающее при ФДТ, не вызывает в пульпе сильных нарушений микроциркуляции и последующего некроза. Такое термическое воздействие на пульпу зуба можно рассматривать как разновидность физиотерапии. Локальное повышение температуры в пульпе зуба будет положительно влиять на ее репаративные свойства.

При использовании для активации фотосенсибилизатора лазерного излучения мощностью 150 мВт необходимо ограничивать время экспозиции до 379±3,5 секунды, чтобы не вызвать необратимых изменений в пульпе зуба. При использовании лазерного излучения мощностью 120 мВт время экспозиции соответственно повышается и составляет не более 415±3,2 секунды.

При мощности лазерного излучения 50-75-100 мВт, достаточного для повышения температуры внутри пульпарной камеры зуба до 40°С, время экспозиции не ограничено. Режимы 120 мВт и 150 мВт возможно рекомендовать к применению лишь при соблюдении лимита безопасности экспозиции лазерного излучения 415±3,2 и 379±3,5 секунды соответственно. При воздействии излучения светодиода температура внутри пульпарной камеры зуба возрастает значительно быстрее, чем при воздействии лазерного излучения. Это положительное качество светодиодного излучения дает возможность активации

фотосенсибилизатора в более короткий срок, что в свою очередь ускорит саму процедуру ФДТ. При использовании светодиода с длиной волны излучения 460 нм и мощностью 1000 мВт необходимо ограничить время воздействия излучения до 60 секунд. Применение источников лазерного излучения сегодня ограничено в стоматологических клиниках, однако светодиодные лампы широко используются стоматологами для полимеризации фотокомпозитных материалов. Доступность источников ультрафиолетового излучения позволит проводить ФДТ в широких масштабах. Применение светодиодного излучения для активации фотосенсибилизатора ранее в литературе не встречалось. Полученные данные научного исследования позволят усовершенствовать методику

применения светодиодных излучателей при проведении ФДТ.

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что фотосенсибилизатор не влияет на повышение температуры внутри пульпарной камеры зуба. Из всех рассмотренных режимов излучения максимально безопасным следует считать 50 мВт, так как повышение температуры в полости зуба остается в допустимых пределах и имеет тенденцию к стабилизации. Повышение температуры внутри пульпарной камеры зуба до 40°С, возникающее при проведении ФДТ можно рассматривать как физиотерапевтическое воздействие, способное влиять на репаративные свойства пульпы зуба.

При использовании лазерного излучения мощностью 150 мВт необходимо ограничивать время экспозиции до 379±3,5 секунды, а при 120 мВт - не более 415±3,2 секунды.

При воздействии излучения светодиода температура внутри пульпарной камеры зуба возрастает значительно быстрее, чем при воздействии лазерного излучения. При использовании светодиода с длиной волны излучения 460 нм и мощностью 1000 мВт необходимо ограничить время воздействия излучения до 60 секунд.

Данное исследование позволит разработать методику ФДТ при лечении неосложненного кариеса и сделает ее доступной на поликлиническом приеме врача-стоматолога.

REFERENCES

1. Pirson Dzh.G., Bonsor S.Dzh. Ispol'zovaniye novoy metodiki dezinfektsii pri lechenii kariyesa i yego oslozhneniy, a takzhe pri endodonticheskom lechenii [Use of a new method of disinfection in the treatment of caries and its complications, as well as in endodontic treatment]. Klinicheskaya stomatologiya, 2008, vol.2, pp.22-26. (in Russian).

2. Naumovich S.A., Kuvshinov A.V., Dmitrochenko A.P. Primeneniye lazernykh tekhnologiy v stomatologii [Application of laser technologies in dentistry]. Sovre-mennaya stomatologiya, 2006, vol.1, pp.4—13. (in Russian).

3. Orekhova LYu., Lukavenko A.A., Pushkarev O.A. Fotodinamicheskaya tera-piya v klinike terapevticheskoy stomatologii [Photodynamic therapy in the clinic of therapeutic stomatology]. Klinicheskaya stomatologiya, 2009, vol.1, pp.26-30. (in Russian).

4. Prokhonchukov A.A., Zhizhina N.A., Alyab'yev Yu.S., Yermolov V.V. Kompensa-tornyye i adaptatsionnyye mekhanizmy sosudistoy sistemy pul'py zuba i parodonta [Compensatory and adaptive mechanisms of the vascular system of tooth pulp and periodontal]. Stomatologiya dlya vsekh, 2009, vol.4, pp.l6-21. (in Russian).

5. Pushkarev O.A. Perspektivy primeneniya fotodinamicheskoy terapii v lechenii neoslozhnennogo kariyesa [Prospects of application of photodynamic therapy in the treatment of uncomplicated caries]. Parodontologiya, 2011, vol.2, pp.93-96. (in Russian).

6. Trukhacheva TV, Shlyakhtin S.V, Isakov G.A., Istomin Yu.P. Obzor rezu'tatov farmatsevticheskikh, farmakologicheskikh i klinicheskikh issledovaniy [Review of the results of pharmaceutical, pharmacological and clinical studies]. - Minsk, 2009. (in Russian).

7. Yudina N.A., Yuris O.V Rezul'taty epidemiologicheskogo obsledovaniya nasele-niya Respubliki Belarus' v 2010 godu [The results of the epidemiological survey of the population of the Republic of Belarus in 2010]. Stomatologicheskiy zhurnal, 2011, vol.1, pp.22-26. (in Russian).

8. Bonsor S.J., Pearson G.J. Current clinical applications of photoactivated disinfection in restorative dentistry. Dental Update, 2006, vol.33, no.3, pp.143-153.

9. Burns T, Wilson M., Pearson G.J. Killing of cariogenic bacteria by light from a gallium aluminium arsenide diode laser Journal ofDentistry, 1994, vol.22, pp.273-278.

10. Burns T., Wilson M., Pearson G.J. Sensitisation of cariogenic bacteria to killing by light from a helium-neon laser. Journal of Medical Microbiology, 1993, vol.38, pp.401-405.

11. Charles G.J. Photodynamic Therapy. Methods and Protocols. Humana Press, New-York, 2010.

12. Gursoy H., Ozcakir-Tomruk C., Tanalp J., Yilmaz S. Photodynamic therapy in dentistry: a literature review. Ciinicai Oral Investments. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012: doi10.1007/s00784-012-0845-7

13. Nammour S., Zeinoun T., Bogaerts I., Lamy M., Geerts S.O., BouSaba S., Lamard L., Peremans A., Limme M. Evaluation of dental pulp temperature rise during photo-activated decontamination (PAD) of caries: an in vitro study. Lasers in Medical Science, 2010, vol.25, pp.651-654.

14. Maisch T Antimicrobial photodynamic therapy: useful in the future? Lasers in Medical Science, 2007, vol.22, pp.83-91.

15. Mollo M.A., Frigo L., Favero G.M., Rb. BrandroLopes-Martins, A.B. Junior. In vitro analysis of human tooth pulp chamber temperature after low-intensity laser therapy at different power outputs. Lasers in Medical Science, 2011, vol.26, pp.143-147.

16. Vahabi S., Fekrazada R., Ayremloua S., Taheri S. Antimicrobial Photodynamic Therapy with Two Photosensitizers on Two Oral Streptococci: an In Vitro Study. Laser Physics, 2011, vol.21, no.12, pp.2132-2137.

17. Walsh L.J. The current status of laser applications in dentistry. Austrian Dental Journal, 2003, vol.48, pp.146-155.

18. Williams J.A., Pearson G.J., Colles M.J. Antibacterial action of photoactivated disinfection PAD used on endodontics bacteria in planktonic suspension and in artificial and human root canals. Journal of Dentistry, 2006, vol.34, no.6, pp.363-371.

19. Williams J.A., Pearson G.J., Colles M.J., Wilson M. The effect of variable energy input from an ovellight source on the photoactivated bactericidal action of toluidine blue O on Streptococcus mutans. Caries research, 2003, vol.3, pp.190-193.

20. Zanin I.C., Gon R.B., Junior A.B., Hope C.K., Pratten J. Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 2005, vol.56, pp.324-330.

Поступила 17.07.2017 Принята в печать 02.04.2018

Адрес для корреспонденции 220004, г. Минск, ул. Сухая, 28

(Республиканская клиническая стоматологическая поликлиника) Белорусский государственный медицинский университет Кафедра общей стоматологии тел.: + 375 17 226-50-92

Чистякова Галина Геннадьевна, e-mail: commonstom@bsmu.by

Address for correspondence

220004, Minsk, Sukhaya str., 28

Belarusian State Medical University

Department of General Dentistry

phone: + 375 17 226-50-92

Chistyakova Galina, e-mail: commonstom@bsmu.by