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Laserzahnmedizin 21.05.2013

Grün – eine Farbe mit Zukunft

Grün – eine Farbe mit Zukunft

Der fluoreszierende Farbstoff Indocyaningrün ist in der Medizin seit dem Beginn der 1960er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts bekannt und wird dort als Indikatorsubstanz bei der ­Leberfunktionsdiagnostik, der Fluoreszenzangiografie oder der Fluoreszenzdarstellung von Lymphknotenmetastasen bei Mamma-CA eingesetzt. Seine Anwendung als Diagnostikum in der Angiografie der Augenheilkunde hat sich wegen seiner Fähigkeit, sich zu 98 Prozent an Plasmaproteine, zu 80 Prozent an Globuline und zu 20 Prozent an Alphalipoprotein und ­Albumin zu binden, bewährt.

Üblicherweise wird Indocyaningrü (Abb. 1) in wäss­riger Lösung mit einer Konzentration bis zu 5mg/kg ­Körpergewicht intravenös gespritzt. Die hepatogene Elimination erfolgt innerhalb kurzer Zeit (Halbwertszeit 3–4 Min.). Dies ist seit den Untersuchungen von Cherrick et al. im Jahr 1960 bekannt und immer wieder bestätigt.1 Eine Aufnahme im Verdauungstrakt findet nicht statt. Die LD 50 Dosis beträgt 60mg/kg (Maus, i.v.) und 87mg/kg (Ratte, i.v.). Nebenwirkungen werden sehr selten beobachtet und beruhen meist auf einer Überempfindlichkeit gegen­über Natriumjodid oder Jod, das zur besseren Löslichkeit bei vielen Produkten dem Salz in bis zu 5% beigemischt wird. Bei der in diesem Artikel dargestellten Form handelt es sich um eine aus diesen Gründen iodidfreie Darreichungsform EmunDo® – lyophilisiertes Indocyaningrün (ICG 1mg; Aqua ad injectabilia 1ml). ICG absorbiert hauptsächlich zwischen 600nm und 900nm, wobei die Absorption stark vom Lösungsmittel beeinflusst wird (Abb. 2). Das Absorptionsmaximum beträgt in Wasser ca. 790nm, in humanem Serumalbumin und Plasma ca. 815nm.

Reaktionen des Farbstoffs bei Bestrahlung mit Licht

Bei der niederenergetischen Bestrahlung mit Laserlicht nach Anfärbung mit ICG sind theoretisch zwei Wirkmechanismen denkbar, die einen keimtötenden Effekt erklären: ein photodynamischer und ein photothermischer Effekt. Diese sind in Abbildung 3 dargestellt. Durch die Absorption von Licht geht der Photosensitizer aus dem Grundzustand s0 in einen angeregten Energiezustand S1 mit begrenzter Lebensdauer über. Sämt­liche Zustände im Schema haben ihre eigene Lebensdauer, und die Übergänge finden mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten statt. Verlässt er das angeregte Niveau wieder, so ist sowohl ein Fluoreszenzübergang, einfache Relaxation (unter Abgabe von Wärme), aber auch die Ausbildung des sogenannten Triplett-Zustandes T1 möglich. Auf Grundlage des Triplett-Zustandes (T1) sind wiederum zwei unterschiedliche nachgeschaltete Reaktionen denkbar („Intersystem-Crossing“). Die in Abbildung 3 dargestellte Reaktion vom Typ I überträgt ein Elektron auf ein Wasserstoffatom unter Bildung von Superoxidanionen-Radikalen (O2– ) oder Hydrooxidradikalen (OH–). Die andere Reaktionsmöglichkeit vom Typ II ist Grundlage ­einer photodynamischen Inaktivierung von Bakterien. ­Dabei ist jedoch lokaler Sauerstoff notwendig, da eine Bildung von Singulett-Sauerstoff aus dem ICG-Molekül selbst heraus nicht erfolgen kann. Speziell in den Zahnfleischtaschen finden wir nahezu keinen Sauerstoff, der als Grundlage für diese Reaktion dienen könnte (Lebensraum anaerober Bakterien). ­Henderson et al. beschreiben im Jahr 2006 ferner, dass bei hohen Energieflussraten auch vorhandener Sauerstoff sehr schnell verbraucht wird.2 Bei photodynamischen Mechanismen kommt es zu keinem nennenswerten Anstieg der Temperatur, sondern zur Freisetzung von radikalem Sauerstoff. Hierbei ist eine Luminiszenz bei 1.270 Nanometer zu sehen.3 Hingegen ist eine photothermische Reaktion durch den hohen lokalen Temperaturanstieg bei Bestrahlung der ICG-haltigen Lösung gekennzeichnet (Abb. 4).

Diskussion der vorhandenen Literatur

Seit dem Einsatz in der Diagnostik sind mittlerweile mehr als 3.000 Veröffentlichungen weltweit zum Thema Indocyanin publiziert worden. In Deutschland wurde der Farbstoff bezüglich seiner Eigenschaften bei Bestrahlung mit Diodenlasern durch Bäumler und Landthaler an der Universität Regensburg untersucht.4 In den frühen Arbeiten wurde meist ein photodynamischer Effekt postuliert.5,6 Dies hat die Arbeitsgruppe mittlerweile auf Grundlage ihrer neueren Unter­suchungen bei fortschreitenden Analysemethoden ­revidiert und geht jetzt von einer konzentrationsabhängigen Wirkweise der Keimtötung aus. Dies wird auch durch die frühzeitigen Untersuchungen zur Fluoreszenz-Effektivität/Wahrscheinlichkeit (Quantum Yield) unterstützt.7,8 So fanden sie bei einer Energiedichte von 32J/cm2 bereits eine Koagulation an Blutgefäßen. Ab einer Temperatur von 70 Grad war die ­Reaktion effektiv.5,8 Photothermische Effekte bei Bestrahlung mit Diodenlasern von 795–810nm sind in der Medizin für unterschiedlichste Anwendungen beschrieben; so z.B. die Photokoa­gulation8,9 und die Gewebefusion.10,11 Ebenso wurde diese Methode für die transsklerale Zyklophotokoagulation zur Behandlung komplizierter Glaukome (z.B. dem posttraumatischen sekundären Winkelblockglaukom) insbesondere bei älteren Patienten dargestellt. Tierexperimentell wurde von Kuo et al. 2004 gezeigt, dass die für eine thermisch induzierte Koagulation notwendige Energiedichte in Gegenwart von ICG deutlich geringer ist (4,5J/cm2 anstelle von 30J/cm2).12 Einen weiteren möglichen Anwendungsbereich der Kombination einer Laserbehandlung mit ICG stellt die Behandlung verschiedener Tumore dar (Zheng et al. 2012).13 Auch hierbei wird von einem photothermischen Mechanismus ausgegangen.

Ergebnisse der eigenen Experimente im Labor Dr. Lorbeer (Nürnberg)

Die Versuche wurden im Jahr 2010 und 2011 für ver­schiedene Bakterien- und ICG-Konzentrationen durchgeführt. Das Testvolumen betrug 40 Mikroliter. Die ­Konzentration des ICG betrug normiert 1mg/2ml. Der Energieeintrag belief sich auf 10–30 Joule, die Leistung des Lasers betrug 0W, 0,5W und 1W bei einer Bestrahlungsdauer von maximal 60 Sekunden.
Das verwendete ICG ohne zusätzliche Bestrahlung zeigte keine antibakterielle Wirkung (keine Dunkeltoxizität), ebenso die Bestrahlung mit Laser ohne Farbstoff. Vielmehr waren für eine eindeutige Wirkung ein Energie­eintrag von 30 Joule sowie die Gegenwart von ICG notwendig. Dabei bestand keine Abhängigkeit von der Leistung, sondern vielmehr war das Erreichen des Schwellenwertes für die Wirkung eindeutig vonnöten. Es kam in der Gesamtlösung zu einem Temperatur­anstieg von 45 Kelvin, der offensichtlich für die Wirksamkeit entscheidend war. Berücksichtigt man, dass aufgrund der Verdünnung auch das umgebende Wasser sowie das Nährmedium in Toto aufgeheizt werden mussten, so ist einleuchtend, dass zur Erreichung des gesamten Temperaturanstieges lokal an den eingefärbten Bakterien eine wesentlich höhere Temperatur notwendig war. Diese muss aufgrund der zweifachen Verdünnung in einem Bereich dem Doppelten des gemessenen Anstieges bei der Nährlösung liegen, bei Berücksichtigung der Anfärbung von nur markierten Bakterien an deren Oberfläche in einem ­Bereich der zur thermischen Abtötung führt. Ferner wurden Transmissionsversuche für die im Produkt EmunDo® verwendete Konzentration von ICG durchgeführt (Abb. 5). Diese zeigten, dass 97,65% des eingebrachten Lichts (I0=85mW, I1=2mW) bei einer Schichtstärke von 0,5mm absorbiert wird.

Anwendungen von Diodenlasern in der Zahnmedizin

Seit Ende der 1990er-Jahre ist bekannt, dass durch die Bestrahlung im Bereich von 810nm die Keimbelastung in parodontalen Taschen stark reduziert werden kann.14 Mittlerweile ist erwiesen, dass die Wirkung auf thermischen Effekten aufgrund der Absorption der Laserenergie im Zielgewebe beruht. Der Einsatz von Photosensitizern wie ICG ermöglicht es wegen der Erhöhung des absorbierten Anteils der Strahlung, geringere Leistungen zu verwenden, was zum einen zu einer höheren Patientencompliance wegen des reduzierten Schmerzempfindens und zum anderen natürlich auch zu geringeren Nebenwirkungen führt.15–17 Die selektive Bindung des Farbstoffes ICG an Proteine bewirkt eine selektive Anbindung an den Biofilm und die Einlagerung in lockeres Entzündungsgewebe zu Markierung des zu koagulierenden Gewebes.
Die Vorteile hierbei beruhen auf der um den Faktor zehn geringeren Gesamtenergie, die in die Tasche eingebracht wird. Die Gewebeveränderung beginnt bereits bei geringen Energieeinträgen. Dies bewirkt, dass die Lateralschäden, d.h. die ther­mische Schädigung des intakten Taschenraumes, des ­Wurzelzements und eventuell vorhandener vertikaler Knocheneinbrüche auf ein Minimum im Vergleich zu sonst angewandten Lasertherapien herabgesetzt wird.

Fazit

Bei der Anwendung von EmunDo® (Abb. 6) in der parodontalen Tasche mit nachfolgender Bestrahlung handelt es sich um die Ausnutzung von den in dieser Konzentration bereitgestellten Eigenschaften der wässrigen Lösung von ICG. Sie ermöglichen es, die seit den ­ersten Publikationen von Gutknecht et al. 1997 beschriebene photothermische Diodenlaseranwendung in der adjuvanten Parodontaltherapie, wesentlich zu verfeinern.14 Dies beruht auf der Markierung des Zielgewebes und der darin im Vergleich zur reinen ­Laseranwendung stark erhöhten Ab­sorption. Diese Ergebnisse machen Mut, ­weitere Einsatzgebiete im Bereich der Zahnheilkunde zu untersuchen.

Hier geht's zur vollständigen Literaturliste.

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