Innowacyjna technologia laserowa w stomatologii regeneracyjnej

Ponad 100 lat temu, tj. w 1903 r.², za zastosowanie możliwości skoncentrowanego promieniowania świetlnego w zwalczaniu toczenia gruźliczego, (lupus vulgaris) Niels Ryberg Finsen otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Wszechobecność urządzeń optyczno-fotoelektronicznych w naszym życiu jest oczywista, począwszy od najprostszego czytnika laserowego w supermarkecie, aż po precyzyjne lasery medyczne i jeszcze bardziej zawansowaną broń laserową. Chyba najlepszym potwierdzeniem roli, jaką odgrywają lasery w naszym życiu od dziesięcioleci jest ubiegłoroczna Nagroda Nobla z fizyki, przyznana wynalazcom diod emitujących niebieskie światło (LED) – prosty wynalazek z ogromnym wpływem na społeczeństwa.³

Zastosowanie lasera klinicznego
Stomatologia na przestrzeni lat zawsze była dziedziną medycyny, która pełniła wiodąca funkcję w adaptacji nowych technologii do codziennej praktyki. Światło jest kluczową częścią stomatologii klinicznej od czasów rozwoju świateł operacyjnych aż do leczniczej regeneracji, ostatnio także – optycznego obrazowania. Pomimo tego, że w użytku komercyjnym lasery są dostępne od lat 60. XX w., pierwszy laser dentystyczny używany do tkanki twardej został zaaprobowany przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA) dopiero w 1997 r. Stosowanie laserów dużej mocy na tkankach miękkich jest popularną metodą od zawsze w wielu obszarach medycyny takich, jak chirurgia, onkologia, dermatologia i okulistyka.

Pierwsze odkrycia
Po wynalezieniu tego fascynującego nowatorskiego narzędzia, początkowo obawy dotyczyły biologicznego bezpieczeństwa nowego urządzenia w porównaniu do jonizujących form promieniowania elektromagnetycznego. Wśród wczesnych pionierskich badań Andre Mester zauważył osobliwe zjawisko: duże dawki niszczyły tkankę w precyzyjny i przewidywalny sposób, jednak niskie dawki skutkowały zdumiewającym polepszeniem leczenia ran i wspierały np. wzrost owłosienia.^4,5 To było zaskakujące odkrycie na wielu płaszczyznach!

Podczas, gdy promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii, takie jak Gamma, promieniowanie X i ultrafioletowe, było w stanie osiągać znaczące liniowe transfery energetyczne generujące biologiczne obrażenia (przerwanie wiązek kwasu nukleinowego), efekty widocznych (a później także podczerwonych) laserów nie wydawały się pasować do typowych reakcji biologicznych (Ryc.1). Z tym większą ekscytacją te wczesne obserwacje zaowocowały dalszymi badaniami dotyczącymi użycia laserów małej mocy oraz innych urządzeń emitujących światło (włączając w to filtrowane szerokie źródła światła oraz LED-y) w wielu klinicznych i laboratoryjnych badaniach.

Bariery w stosowaniu
Niestety, z powodu złożoności technologii oraz braku rozumienia jej biologicznych mechanizmów, doszło do rozbieżności w raportach dotyczących terapeutycznych zalet stosowania tych urządzeń. Dlatego też, brak przekonującej klinicznej skuteczności w dużym stopniu zdegradował je do zastosowań w pobocznych dziedzinach, jako pseudonaukowe i alternatywne formy leczenia. Obecne problemy w tej dziedzinie zaczynają się już na poziomie podstawowej terminologii, która utrudnia poprawne indeksowanie w literaturze, a kończą na braku odpowiednich klinicznych rekomendacji dozowania, dopasowanych do konkretnych chorób. Niemniej jednak, rozwój stosowania urządzeń małej mocy wykazał także znaczący postęp, szczególnie w obszarach traumatycznych obrażeń mózgu, potraumatycznych schorzeń stresowych, odwracania skutków zatrucia metanolem oraz gojenia ran.^6-15 W ostatnich latach szczegółowa analizy interakcji pomiędzy światłem a tkanką biologiczną przyczyniły się do lepszego rozumienia terapeutycznych zastosowań leczenia laserem.^16-18

Definiowanie fotobiomodulacji
W naszej definicji fotobiomodulacja (PBM) jest formą fototerapii, która skutkuje terapeutycznymi korzyściami, takimi jak złagodzenie bólu i zapaleń, immunomodulacja i sprzyjanie gojeniu ran oraz regeneracji tkanek. PBM jest procesem nietermicznym, wykorzystującym zjawiska fotofizyczne i fotochemiczne w różnych skalach długości fal, co skutkuje korzystnymi reakcjami fotobiologicznymi. Jej kliniczne zastosowania mogą zostać połączone w terapię PBM.

Badanie 1: Aktywacja TGF-β1
Bazując na poprzednich raportach, w 1999 r. rozpoczęliśmy badania w celu ustalenia parametrów lasera zbliżonego do podczerwieni, aby efektywnie sprzyjać gojeniu ran w obrębie jamy ustnej w małych dawkach (3 J/cm2, 10 mW/cm2, 5 min). Towarzyszyła temu dokładna analiza dostępnej literatury w celu określenia biologicznych możliwości związanych z gojeniem ran. Wydawało się, że występują pewne korelacje pomiędzy raportowanym użyciem egzogenicznego TGF-β1 i laserowym leczeniem ran.

W oparciu o te obserwacje, określiliśmy bardziej widoczną reakcję tkanki w jamie ustnej leczonej laserem zaraz po terapii i po 14 dniach.19 Wzrost po 14 dniach korelował z napływem monocytów/makrofagów, czyli znanym źródłem TGF-β1. Następnie przyjrzeliśmy się zwiększonej wczesnej ekspresji aktywnego TGF-β1 w tych ranach. TGF-β1 jest wydzielany jako utajony złożony czynnik wzrostu kojarzony z LAP (Latency Associated Peptide). Świeża rana jest obfita w TGF-β1 z powodu jej zawartości w aktywnych płytkach krwi.

Zaobserwowaliśmy, że leczenie laserem przyczyniało się do aktywowania TGF-β1. Dalsza analiza tych obserwacji wykazała, że laser w podczerwieni był w stanie wytworzyć reaktywne formy tlenu (ROS).²⁰

Badanie 2: Regeneracja zębiny
W poprzednim badaniu odnotowaliśmy efekt zastosowania laserów małej mocy w sprzyjaniu leczeniu ran śluzówki jamy ustnej. Następnie rozszerzyliśmy obszar zastosowania klinicznego na regenerację zębiny, gdzie TGF-β1 okazał się odgrywać kluczową rolą w fizjologii zębiny.2^1-25 Zauważyliśmy zdolność laserów o małej mocy do sprzyjania regeneracji zębiny przy użyciu ludzkich komórek macierzystych zębów. W celu potwierdzenia tych obserwacji, komórki preodontoblastów gryzoni (MDPC-23) tworzyły polimeryczną bazę dzięki działaniu laserów o małej mocy.

Terapie laserowe wpływały na odbudowę zębiny, co zostało wykazane przez charakterystyczną dla zębiny matrycę depozycji i mineralizacji. By potwierdzić rolę TGF-β1 in vivo, przeprowadzono badania na transgenicznych myszach bez receptorów TGF-β1 w komórkach zdolnych do odbudowy zębiny (przy użyciu transgenu DSPP). Eksperymenty na tych myszach nie uwidoczniły żadnej znaczącej indukcji następującej po leczeniu laserowym, która mogłaby potwierdzić kluczową rolę aktywacji TGF-β1 w pośredniczeniu jego efektom.

Poprzednie badania wykazały terapeutyczne korzyści z uzupełnienia egzogenicznego TGF-β dla remineralizowanej zębiny. To badanie sugeruje, że używanie laserów małej mocy aktywuje utajniony TGF-β1 naturalnie występujący w miazdze i zębinie oraz powoduje aktywowanie komórek macierzystych zęba (Ryc. 2). Terapia ta może zatem wzmacniać i aktywować wrodzone reakcje naprawczo-regeneracyjne reakcji naturalnie obecnych w tkance zęba.

Kliniczne zastosowanie indukcji wiązką laserową na zębinę
Obserwacje te mają silne kliniczne implikacje, gdzie odbudowa zębiny jest aktywowana podczas terapii. 2 kliniczne protokoły obejmują zastosowanie wiązki laserowej w leczeniu głębokich zmian próchnicowych oraz znieczulenia zębiny. W pierwszym z tych przypadków, usuwanie zniszczonej lub uszkodzonej struktury zęba w pobliżu miazgi (bliskość lub bezpośrednia ekspozycja), które wymaga użycia narzędzi, może potencjalnie zostać zastąpione leczeniem laserem o małej mocy.

W drugim scenariuszu wykorzystanie leczenia laserem małej mocy na kanalikach zębowych zmniejsza nadwrażliwość zębiny. Metoda ta jest znacznie efektywniejsza niż tradycyjne podejście zakładające zamykanie kanalików w dotychczasowy sposób.

Główne ograniczenia bieżących badań, które zaobserwowaliśmy, to zwapnienia widoczne w miazdze zęba. Wierzymy, że może to być wynikiem kombinacji długości fal zbliżonej do podczerwieni, która przenika przez tkankę biologiczną oraz natury aktywnych cząsteczek. Może to zostać wyeliminowane poprzez lepsze techniki kierowania wiązki laserowej oraz stosowania czynników absorbujących energię promieniowania, ograniczających biologiczną interfazę.

Drugim ograniczeniem w tym badaniu jest fakt, że opracowana laserem zębina była zębiną 3. kategorii, w której brakowało struktury kanalikowej i wykazywała ona większą ekspozycję.

Wykorzystując model terapii laserowej bazującej na aktywowaniu laserem TGF-β1, odnotowaliśmy znaczące efekty wpływające na szybsze gojenie się ran. Reakcja tkanki miękkiej wykazywała krótszy czas gojenia, co sugeruje, że to podejście może mieć znaczący potencjał również przy innych komórkach macierzystych.²⁶

Podsumowanie
Zarówno reaktywne formy tlenu ROS, jak i TGF-β1 są najważniejszymi biologicznymi pośrednikami w szerokim spektrum reakcji biologicznych.^27-29 Zdolność do selektywnej ich aktywacji jest zdefiniowana przestrzennie oraz czasowo in vivo przy użyciu laserów o małej mocy, co daje nam ważne kliniczne narzędzie dla różnych zastosowań terapeutycznych.

Pytania dotyczące konkretnych długości fal, protokołu klinicznego (długość i zakres dawek) oraz kontekst patofizjologicznych reakcji są niezwykle ważne, aby umożliwić dalsze efektywne kliniczne zastosowanie terapii.30 Co więcej, możliwość klinicznego zastosowania terapii laserowych w stomatologii wymaga dalszych podstawowych badań, stworzenia standardów oraz edukacji na różnych poziomach (podstawowy trening stomatologiczny i kontynuacja edukacji), (Ryc.3).

W erze medycyny personalizowanej i strategii zakładających wykorzystanie zaawansowanych technologii i środków farmaceutycznych w celu zindywidualizowania opieki zdrowotnej, obiecująca obecność laserów w stomatologii klinicznej może być wiodącą, kluczową technologią, która wprowadzi stomatologię regeneracyjną w nową erę.

Piśmiennictwo dostępne u wydawcy

Opisane badania były wspierane przez wewnętrzny program badawczy Narodowego Instytutu Badań Stomatologicznych i Czaszkowo-Twarzowych Narodowego Instytutu Zdrowia.

 

Ryc. 1_Użycie fal różnych długości w różnych dawkach może mieć różne zastosowania kliniczne. PBM – fotobiomodulacja, enPDT – fotodynamiczna terapia z obecnością endogennych chromoforów i exPDT – fotodynamiczna terapia z eksogennymi chromoforami (barwionymi).
Ryc. 2_Terapeutyczny wykres obrazujący wytworzenie przez laser reaktywnych form tlenu (ROS).

Ryc.3_Potencjalna droga fotobiomodulacji PBM prowadząca do zastosowań w stomatologii klinicznej. Falująca droga od badań laboratoryjnych do zastosowań klinicznych obrazuje złożoność procesu, prowadzącego od naukowego odkrycia do zastosowania klinicznego.