Dieses Protokoll vergleicht Dioden-, Thulium- und Erbiumlaser hinsichtlich ihrer intrakanalen Desinfektion in einem ex vivo Enterococcus faecalis-Wurzelkanalmodell, indem die antibakterielle Wirksamkeit und die Temperatur an der äußeren Wurzeloberfläche bewertet werden, um sichere und wirksame Bestrahlungsparameter zu identifizieren.
Forschungsartikel
Thulium-, Erbium- und Diodenlaser für die intrakanale Dekontamination: Anti-Enterococcus faecalis-Aktivität und thermische Sicherheit ex vivo
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11. September 2026
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die laserunterstützte Spülung hat sich als vielversprechende ergänzende Maßnahme zur Wurzelkanaldesinfektion etabliert; direkte Vergleiche verschiedener Lasersysteme unter standardisierten experimentellen Bedingungen sind jedoch weiterhin begrenzt. Diese ex-vivo-Studie verglich die antibakterielle Wirksamkeit und thermische Sicherheit eines 808-nm-Diodenlasers, eines 1940-nm-Thuliumlasers und eines 2940-nm-Erbiumlasers bei der intrakanalen Dekontamination gegen Enterococcus faecalis. Standardisierte infizierte humane Wurzelkanalpräparate wurden unter Verwendung klinisch relevanter Bestrahlungsparameter behandelt. Die antibakterielle Wirksamkeit wurde anhand der Reduktion koloniebildender Einheiten (CFU) und der Analyse bakterieller Wachstumskurven bewertet, während die thermische Sicherheit durch die Messung der Temperaturänderungen an der äußeren Wurzeloberfläche während der Laserbestrahlung beurteilt wurde. Alle drei Lasersysteme zeigten eine stärkere antibakterielle Wirkung als mit Kochsalzlösung behandelte Kontrollen. Der Erbiumlaser erreichte die höchste mittlere Hemmrate (99,0 %) bei 30 mJ über 30 s, wobei die Temperaturerhöhungen an der äußeren Wurzeloberfläche unterhalb des akzeptierten thermischen Sicherheitsschwellenwerts von 10 °C blieben. Der Thuliumlaser zeigte eine vergleichbare antibakterielle Aktivität, überschritt jedoch bei den höchsten Bestrahlungseinstellungen den thermischen Sicherheitsschwellenwert. Der Diodenlaser wies unter den getesteten Bedingungen eine geringere antibakterielle Wirksamkeit und stärkere Temperaturerhöhungen im Vergleich zu den Thulium- und Erbiumlasern auf. Innerhalb der Grenzen dieses ex-vivo-Modells zeigte der 2940-nm-Erbiumlaser das günstigste Verhältnis zwischen antibakterieller Wirksamkeit und thermischer Sicherheit und stellt somit einen vielversprechenden ergänzenden Ansatz für die intrakanale Desinfektion dar.
Einleitung
Die Hauptursache für Pulpitis und apikale Periostitis ist eine bakterielle Infektion des Wurzelkanalsystems1. Laut einer Studie wurde Enterococcus faecalis als führender bakterieller Isolat bei Patienten mit chronischer oder rezidivierender Infektion nach einer endodontischen Behandlung identifiziert2,3. Dieses Bakterium verfügt über zahlreiche Virulenzfaktoren, darunter die Biofilmbildung; es kann Dentintubuli bis zu einer Tiefe von 800 µm durchdringen und unter nährstoffarmen Bedingungen überleben2,3. Diese Eigenschaften tragen zu seiner Resistenz gegenüber den üblicherweise während der Wurzelkanalbehandlung eingesetzten intrakanalaren Desinfektionsmitteln sowie zu den körpereigenen Abwehrmechanismen bei. Daher ist die Unfähigkeit, alle verbliebenen E. faecalis-Bakterien aus dem Wurzelkanalsystem zu eliminieren, eine wesentliche Ursache für das Versagen einer endodontischen Behandlung4.
Die aktuelle Wurzelkanalbehandlung kombiniert die mechanische Débridement durch Instrumentierung mit chemischer Spülung, um Mikroorganismen aus dem Wurzelkanalsystem zu entfernen5. Obwohl die mechanische Instrumentierung sehr effektiv bei der Reduktion bakterieller Populationen ist, bleiben viele Bereiche der komplexen Wurzelkanalanatomie allein durch Instrumentierung unerreichbar5. Daher spielen chemische Spüllösungen eine wichtige Rolle bei der Desinfektion des Wurzelkanalsystems. Studien haben jedoch gezeigt, dass selbst die wirksamsten chemischen Mittel bakterielle Biofilme nicht vollständig eliminieren können6. Außerdem können einige chemische Substanzen, die während der endodontischen Behandlung verwendet werden, die strukturelle Integrität des Dentins beeinträchtigen6,7. Um die Desinfektionswirksamkeit zu verbessern und eine vollständigere Entfernung bakterieller Biofilme aus dem Wurzelkanalsystem zu erreichen, wurden verschiedene Methoden zur Aktivierung chemischer Spüllösungen untersucht. Unter diesen hat sich die laseraktivierte Spülung als eine der vielversprechendsten Alternativen herausgestellt8. Dioden-, Thulium- und Erbiumlaser wurden ebenfalls hinsichtlich ihres Potenzials bewertet, photothermische und photomechanische Effekte hervorzurufen, die in der Lage sind, bakterielle Zellwände und Biofilme zu zerstören9.
Die Wechselwirkung zwischen jeder dieser Laserarten und den Geweben, mit denen sie interagieren, unterscheidet sich je nach Wellenlänge erheblich. Diodenlaser, die typischerweise Licht mit Wellenlängen zwischen 808 und 980 nm emittieren, werden von Chromophoren in biologischen Geweben absorbiert, was zu einer photothermischen Reaktion führt, bei der Proteine denaturiert und Bakterien abgetötet werden10. Thuliumlaser arbeiten bei 1940 nm und weisen eine hohe Absorption durch Wasser auf. Daher haben sich Thuliumlaser als besonders geeignet für feuchte Umgebungen erwiesen, einschließlich Wurzelkanäle, die mit Spüllösung gefüllt sind11. Aufgrund ihrer hohen Wasserabsorption können Thuliumlaser Flüssigkeit in bewässerten Wurzelkanälen schnell erhitzen und verdampfen. Die Verdampfung erzeugt Schockwellen, die zur Zerstörung bakterieller Biofilme beitragen können. Erbiumlaser, insbesondere solche, die bei 2940 nm arbeiten, weisen unter den zahnmedizinischen Lasern den höchsten Absorptionskoeffizienten für Wasser auf12. In bewässerten Kanälen kann diese Eigenschaft eine explosive Verdampfung und Schockwellen erzeugen, die Bakterien mechanisch ablösen und abtöten, während gleichzeitig der Wärmeübergang auf das umgebende Dentin möglicherweise begrenzt wird13.
Obwohl das Interesse an Lasertechnologie für die endodontische Praxis weiter steigt, ist über die optimalen klinischen Parameter für verschiedene Lasersysteme noch vieles unbekannt. Aktuelle Methoden für den klinischen Einsatz basieren typischerweise auf empirischer Erfahrung oder Herstellerempfehlungen und verfügen über nur begrenzte evidenzbasierte Unterstützung14. Zudem haben die meisten bisherigen Studien die antimikrobiellen Wirkungen von Lasern untersucht; ein wichtiger Aspekt der Lasertherapie hingegen wurde vergleichsweise weniger beachtet: das Risiko thermischer Verletzungen des parodontalen Gewebes. Allgemein gilt, dass eine Erhöhung der Temperatur an der äußeren Wurzeloberfläche um mehr als 10 °C zu dauerhaften Schäden am Parodontalband und dem umgebenden Knochengewebe führen kann15. Bisher scheint es keine publizierte direkte Gegenüberstellung verschiedener Lasersysteme zu geben, die sowohl deren antimikrobielle Wirksamkeit als auch thermische Sicherheit unter kontrollierten experimentellen Bedingungen systematisch bewertet.
Der primäre Zweck dieser ex vivo-Studie bestand darin, die antimikrobielle Wirksamkeit und thermische Sicherheit von drei Lasersystemen – einem 808 nm-Diodenlaser, einem 1940 nm-Thuliumlaser und einem 2940 nm-Er:YAG-Laser – hinsichtlich der Beseitigung von E. faecalis-Biofilmen von Wurzelkanalwänden zu untersuchen und zu vergleichen. Um Parameterkombinationen zu identifizieren, die eine wirksame bakterielle Eliminierung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der thermischen Sicherheit ermöglichen, wurden in dieser Studie klinisch relevante Bestrahlungsparameter evaluiert. Es wird erwartet, dass diese Ergebnisse Kliniker bei der Auswahl sicherer und effektiver laserunterstützter Verfahren zur endodontischen Desinfektion unterstützen werden.
Protokoll
Die vorliegende Studie wurde gemäß den ethischen Standards des Vierten Volkskrankenhauses Shanghai, Medizinische Fakultät der Tongji-Universität, durchgeführt und von der zuständigen Ethikkommission genehmigt (Genehmigungsnummer: 2026013-001). Die für diese Studie verwendeten extrahierten menschlichen Zähne wurden von Patienten gesammelt, bei denen eine Zahnextraktion aus orthopädischen oder parodontalen Gründen erforderlich war. Von allen Teilnehmern wurde vor der Probennahme eine schriftliche, informierte Einwilligung eingeholt. Für die Zwecke dieser Studie wurden keine zusätzlichen klinischen Maßnahmen durchgeführt. Die Studie wurde gemäß den institutionellen Anforderungen zum Einsatz extrahierter menschlicher Zähne durchgeführt.
Probenvorbereitung und Auswahlkriterien
Insgesamt 141 einwurzelige bleibende Zähne (untere Schneidezähne und Prämolaren), die kürzlich extrahiert worden waren, wurden aus der Abteilung für Zahnmedizin des Stomatologischen Instituts der Tongji-Universität am Shanghai Fourth People’s Hospital erhalten. Alle Zähne wurden aus orthodontischen oder parodontalen Gründen entfernt. Von jedem Patienten wurde eine informierte Einwilligung eingeholt. In die Studie eingeschlossen wurden Zähne mit einer Wurzellänge von mindestens zehn Millimetern, gemessen mittels parodontaler Sonde, intakte Zähne ohne kariöse Läsionen oder Risse, vollständige Wurzelbildung sowie einer Wurzelkrümmung von weniger als zehn Grad nach der Methode von Schneider. Ausgeschlossen waren Zähne mit mehreren Kanälen, Kanalkalzifikation, interner Resorption oder vorangegangener endodontischer Behandlung. Nach der Extraktion wurden sämtliche sichtbaren Zahnsteinablagerungen und Weichgewebereste mit einem parodontalen Skalpell entfernt. Die Zähne wurden anschließend bis zur Verwendung in einer 0,9%igen Kochsalzlösung bei 4 °C gelagert, um Austrocknung zu verhindern; alle Experimente wurden innerhalb von drei Monaten nach der Extraktion durchgeführt. Die Proben wurden den experimentellen Gruppen anhand einer vordefinierten alternierenden Zuordnungssequenz zugeordnet. Konkret wurden die Proben sequenziell und abwechselnd den einzelnen Gruppen zugeordnet, bis die erforderliche Stichprobengröße für jede Gruppe erreicht war. Es wurde keine formale a priori-Power-Analyse durchgeführt. Die Stichprobengröße wurde basierend auf früheren vergleichbaren ex vivo-Studien, der Anzahl der evaluierten Bestrahlungsparameterkombinationen sowie der Verfügbarkeit geeigneter extrahierter Zähne festgelegt.
Wurzelkanalpräparation und Sterilisation
Die Krone jedes Zahns wurde an der Zement-Email-Grenze mit einer Diamantsäge bei niedriger Geschwindigkeit unter kontinuierlicher Wasser-Kühlung entfernt, um einen standardisierten 10-mm-Wurzelabschnitt zu erhalten. Die Arbeitslänge wurde unter Verwendung einer K-Feile der Größe 10 jeweils 1 mm vor dem apikalen Foramen festgelegt. Die Wurzelkanäle wurden mit dem ProTaper Universal-Nickel-Titan-Rotations-System gemäß den Herstelleranweisungen präpariert, wobei die Reihenfolge S1, S2, F1, F2 und F3 befolgt wurde, bis eine apikale Präparationsgröße von F3 erreicht war. Während der Instrumentation wurden die Kanäle nach jeder Rotationsfeile mit jeweils etwa 2 mL 5,25%iger Natriumhypochloritlösung gespült, was ein Gesamtvolumen von etwa 10 mL pro Kanal ergab. Ein abschließendes Spülen erfolgte mit 5 mL 17%iger EDTA-Lösung für 1 Minute, gefolgt von 5 mL steriler Kochsalzlösung. Das apikale Foramen wurde mit einem fließfähigen Kompositharz versiegelt, um ein geschlossenes Kanalsystem zu erzeugen. Die präparierten Wurzeln wurden durch Autoklavieren bei 121 °C für 20 Minuten sterilisiert, in steriler, phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) bei 4 °C gelagert und innerhalb von 24 Stunden nach der Sterilisation mit Bakterien beimpft.
Bakterielle Stamm- und Kulturbedingungen
E. faecalis ATCC 29212 wurde verwendet, um das infizierte Wurzelkanalmodell zu etablieren. Der Stamm wurde 24 Stunden lang bei 37 °C unter aeroben Bedingungen auf Brain-Heart-Infusion-(BHI-)Agar kultiviert. Eine einzelne Kolonie wurde in BHI-Brühe überführt und 18–24 Stunden bei 37 °C inkubiert. Die Bakteriensuspension wurde auf etwa 1,5 × 108 KBE/mL, entsprechend einem 0,5-McFarland-Standard, eingestellt, wobei ein optischer Dichtewert bei 600 nm (OD600) von 0,08–0,10 verwendet wurde.
Einrichtung von E. faecalis Infiziertes Wurzelkanalmodell
Um ein infiziertes Wurzelkanal-Biofilm-Modell zu etablieren, wurde die äußere Oberfläche jeder sterilisierten Wurzel mit zwei Schichten farblosem Nagellack beschichtet, um ein Eindringen von Bakterien durch das Zement über die Wurzeloberfläche zu verhindern. Der apikale Bereich wurde beschichtet, nachdem das apikale Foramen mit einem fließfähigen Kunststoffkomposit versiegelt worden war, während die Kanalmündung unbehandelt blieb, um eine bakterielle Inokulation zu ermöglichen. Mit einer sterilen Mikropipette 10 µL der E. faecalis die Suspension wurde in jeden einzelnen Wurzelkanal überführt, um die gesamte Länge des Kanals zu füllen, ohne überzulaufen. Die infizierten Proben wurden anschließend einzeln in sterile 24-Loch-Kulturplatten gegeben, wobei jedem Loch 1,5 mL BHI-Brühe zugesetzt wurde. Die Proben wurden kultiviert bei 37°C unter aeroben Bedingungen für 21 Tage. Das Wachstumsmedium wurde alle 2 Tage entfernt und durch frische, sterile BHI-Brühe ersetzt, um die Bakterien mit Nährstoffen für weiteres Wachstum zu versorgen und angesammelte zelluläre Abfälle zu entfernen. Während des Mediumwechsels erfolgte keine zusätzliche Inokulation mit E. faecalis. Nach Abschluss der Inkubationszeit wurden alle lebensfähigen Proben einmal mit PBS gewaschen, um locker angeheftete planktonische Bakterien zu entfernen, bevor die experimentellen Untersuchungen durchgeführt wurden. Zwei zufällig ausgewählte Proben wurden zur Visualisierung der ausgereiften Biofilmbildung und des bakteriellen Eindringens in die dentinalen Tubuli mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendet. Die Proben wurden in 2,5 % Glutaraldehyd fixiert 4°C 24 h inkubieren, dreimal mit PBS spülen, durch eine aufsteigende Ethanolreihe (30 %, 50 %, 70 %, 80 %, 90 % und 100 %) dehydrieren, wobei jeder Schritt 10 min dauert, dann longitudinal halbieren, an der Luft trocknen, auf Aluminium-Stubs befestigen, mit Gold aufgedampft und mittels REM untersucht.
Experimentelle Gruppen und Laserbestrahlungsprotokolle
Die 135 infizierten Wurzelproben wurden entsprechend dem verwendeten Lasersystem in drei primäre Versuchsgruppen unterteilt: die 808 nm Diodenlaser-Gruppe, die 1940 nm Thuliumlaser-Gruppe und die 2940 nm Erbiumlaser-Gruppe. Jede Lasergruppe umfasste 45 Proben, die weiter je nach Bestrahlungsparameter unterteilt wurden. Der Diodenlaser wurde bei mittleren Leistungen von 1,0, 1,5 oder 2,0 W betrieben, wobei jede Leistungseinstellung 10, 20 oder 30 s angewendet wurde, was neun Untergruppen mit jeweils drei Proben pro Untergruppe ergab. Der Thuliumlaser wurde bei mittleren Leistungen von 1,5, 2,5 oder 3,5 W betrieben, wobei jede Leistungseinstellung ebenfalls 10, 20 oder 30 s angewendet wurde und somit ebenfalls neun Untergruppen mit jeweils drei Proben pro Untergruppe ergab. Der Erbiumlaser arbeitete im ultrakurzen Pulsmodus bei einer festen Frequenz von 15 Hz. Pulsenergien von 10, 20 oder 30 mJ wurden 10, 20 oder 30 s lang appliziert, wodurch neun Untergruppen mit jeweils drei Proben pro Untergruppe entstanden. Sowohl der 808 nm Diodenlaser als auch der 1940 nm Thuliumlaser wurden im Dauerstrichmodus betrieben.
Insgesamt wurden sechs zusätzliche Proben eingeschlossen, wobei jeweils drei Proben den Gruppen der negativen und positiven Kontrolle zugeordnet wurden. Die Gruppe der negativen Kontrolle erhielt sterile Kochsalzlösung, während die Gruppe der positiven Kontrolle 30 s lang mit 5,25 % Natriumhypochlorit (NaOCl) behandelt wurde.
Für die Lasergruppen wurde ein standardisiertes Bestrahlungsprotokoll befolgt. Die optische Faser wurde bis zur Arbeitslänge in den Wurzelkanal eingeführt und während des gesamten Bestrahlungszeitraums in einer langsamen, kontinuierlichen Spiralbewegung von apikal nach koronal bewegt. Es wurden laserspezifische Zuführungsfasern oder -spitzen verwendet, anstelle einer einzigen austauschbaren Faser. Der 808 nm-Diodenlaser wurde über eine 200 µm Endabstrahlungs-Faser, der 1940 nm-Thuliumlaser über eine 200 µm Endabstrahlungs-Faser und der 2940 nm-Erbiumlaser über eine 400 µm radial abstrahlende Spitze appliziert. Die Zuführungsfaser oder -spitze wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm/s zurückgezogen. Nach Erreichen der Kanalmündung wurde sie erneut bis zur Arbeitslänge vorgeschoben, und die spiralförmige Bewegung von apikal nach koronal wurde wiederholt, bis die vorgesehene Bestrahlungsdauer abgeschlossen war.
Bei den Thulium- und Erbium-Lasern wurden die Kanäle während der Bestrahlung mit steriler Kochsalzlösung gefüllt, um eine wasserassistierte Laseraktivierung zu simulieren. Pro Kanal wurden etwa 10 µL sterile Kochsalzlösung eingeführt, um den Kanal bis zur Höhe der Kanalmündung zu füllen, bevor die Bestrahlung begann. Die Kochsalzlösung wurde bei Bedarf vor jedem Bestrahlungszyklus erneuert, um während der gesamten Behandlung einen mit Flüssigkeit gefüllten Kanal aufrechtzuerhalten. Bei der Gruppe mit dem Diodenlaser wurden die Kanäle vor der Bestrahlung mit sterilen Papierpunkten getrocknet, da der 808-nm-Diodenlaser eine relativ geringe Absorption in Wasser aufweist und zur Erzeugung eines direkten photothermischen antibakteriellen Effekts innerhalb des Kanals eingesetzt wurde. Im Gegensatz dazu weisen die 1940-nm-Thulium- und 2940-nm-Erbium-Laser eine deutlich höhere Wasserabsorption auf und wurden daher in mit Kochsalzlösung gefüllten Kanälen angewendet, um wasserbasierte photothermische und photomechanische Effekte zu fördern. Die Laserbehandlung wurde einmal täglich an drei aufeinanderfolgenden Tagen wiederholt.
Messung der äußeren Wurzeloberflächentemperatur
Änderungen der Echtzeit-Temperatur an der äußeren Wurzeloberfläche wurden während des ersten Tages der Laserbestrahlung gemessen. Jede Wurzelprobe wurde bei Raumtemperatur (22 °C ± 1 °C) vertikal an einem Stativ befestigt. Ein K-Typ-Thermoelement, das mit einem digitalen Thermometer verbunden war, wurde fest am mittleren Drittel der äußeren Wurzeloberfläche senkrecht zur langen Achse der Wurzel angebracht. Die Thermoelementsonde wurde mithilfe einer verstellbaren Klammer positioniert und mit hitzebeständigem Klebeband auf der Wurzeloberfläche fixiert, um während der gesamten Messung einen festen und gleichmäßigen Kontakt sicherzustellen. Vor jeder Messung wurde die Thermoelementsonde mit kochendem Wasser (100 °C) und einer Eis-Wasser-Mischung (0 °C) kalibriert. Die Temperaturwerte wurden im Abstand von 50 ms während der gesamten Bestrahlungszeit (10, 20 oder 30 s) aufgezeichnet. Sowohl die Ausgangstemperatur als auch die maximale Temperatur, die während oder unmittelbar nach der Laserbestrahlung gemessen wurde, wurden für jede Probe erfasst. Die Temperaturerhöhung von der Ausgangs- zur Spitzentemperatur wurde als ΔT berechnet. Ein ΔT von mehr als 10 °C galt als Schwellenwert für eine mögliche Schädigung des parodontalen Gewebes.
Mikrobiologische Bewertung: Koloniezählung und Hemmungsrate
Zur Bestimmung der antibakteriellen Wirkung der Laserbehandlungen wurden Proben nach jeder Laserbehandlung entnommen. Der Kanal wurde mit sterilen Papierpunkten getrocknet. Für jede Probe kam eine neue sterile Hedström-Feile der Größe 40 zum Einsatz, um Dentinspäne aus den Kanalwänden zu gewinnen und so eine Kreuzkontamination zwischen den Proben zu vermeiden. Jeder Dentinspann wurde in ein separates Mikrozentrifugenröhrchen mit 1 mL steriler PBS überführt. Die Röhrchen wurden 30 s intensiv verwirbelt, um Bakterien aus den Dentinspänen freizusetzen. Serielle zehnfache Verdünnungen im Bereich von 10−1 bis 10−6 wurden hergestellt, indem jeweils 100 µL der Bakteriensuspension in 900 µL sterile PBS überführt wurden. Aliquote Mengen (30 µL) jeder Verdünnung wurden auf separate Agarplatten mit Brain-Heart-Infusion-Medium aufgetragen und 24 h bei 37 °C inkubiert. Die Kolonien wurden gezählt und als koloniebildende Einheiten (CFU) dokumentiert. Jede Verdünnung wurde dreifach beimpft, und der mittlere Koloniezählergebniswert aus den drei Platten wurde für die Analyse verwendet. Die Platten wurden vor der Zählung codiert, und die Person, die die Kolonien zählte, war bezüglich der Behandlungszuordnungen verblindet.
Hier ist C die mittlere Kolonie-bildende-Einheiten (CFU)-Zahl der negativen Kontrollgruppe (Salzlösung) und T die mittlere CFU-Zahl der Versuchsgruppe.
Analyse der bakteriellen Wachstumskurve
Der Einfluss verschiedener Laserbehandlungen auf die Wachstumskinetik von Bakterien wurde durch die Aufstellung von Wachstumskurven untersucht. Am Tag 3 nach der letzten Laserbehandlung wurden die Kanäle mit 5 mL steriler Kochsalzlösung gespült. Die Kanalinhalte wurden mittels steriler Papierpunkte gesammelt und anschließend in ein Zentrifugenröhrchen mit 5 mL BHI-Brühe überführt. Das Röhrchen wurde geschüttelt, um die Bakterien in der Brühe zu suspendieren. Die bakterielle Suspension wurde auf 1 × 106 KBE/mL. Die bakterielle Konzentration wurde basierend auf dem OD angepasst600 Messungen unter Verwendung einer zuvor etablierten Kalibrierungskurve für E. faecalis ATCC 29212 und wurde anschließend durch Zählung lebensfähiger Kolonien verifiziert. Eine Aliquotmenge von 200 µL der Suspension wurde in jede Vertiefung einer sterilen 96-Loch-Mikrotiterplatte gegeben. Zusätzlich 20 µL steriles Mineralöl wurde zu jedem Brunnen gegeben, um Verdunstung zu minimieren. Die Mikroplatte wurde in ein Spektrophotometer/Inkubator bei konstanter Temperatur gegeben 37°Cund OD600 wurde stündlich über einen Zeitraum von 24 h gemessen. Vor jeder OD600-Messung wurde die Mikroplatte etwa 10 s lang mit einer Rotation von ca. 300 U/min geschüttelt, um eine homogene bakterielle Suspension zu gewährleisten. Jede Probe wurde in fünf Wiederholungslöchern getestet.
Statistische Analyse
Alle numerischen Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) angegeben. Die statistischen Analysen wurden mit SPSS Version 26.0 durchgeführt. Die Datenverteilung wurde mittels des Shapiro-Wilk-Tests überprüft. Zur Vergleichung von mehr als zwei Gruppen wurde eine Varianzanalyse (ANOVA) verwendet, gefolgt vom Tukey-Test für ehrlich signifikante Differenzen (HSD) für paarweise Vergleiche. Der Vergleich zwischen zwei Gruppen erfolgte mittels eines unabhängigen Stichproben- t-Test. Die Homogenität der Varianzen wurde mithilfe des Levene-Tests überprüft, bevor parametrische Tests angewandt wurden. Wenn die Annahme der Varianzhomogenität verletzt war, wurde entsprechend die Welch-Korrektur angewandt. Statistische Signifikanz wurde definiert als P < 0,05. Die Diagramme wurden mit GraphPad Prism Version 9.0 erstellt.
Ergebnisse
Antibakterielle Wirkung verschiedener Laserbehandlungen gegen E. faecalis
Die antibakterielle Wirksamkeit der drei Lasersysteme gegen E. faecalis wurde durch Bestimmung der Koloniebildenden Einheiten (CFU) nach drei aufeinanderfolgenden Behandlungen bewertet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 und Abbildung 1 (Zusatzmaterial) dargestellt. Die negative Kontrollgruppe mit steriler Kochsalzlösung zeigte ein erhebliches bakterielles Wachstum mit einem durchschnittlichen Grauwert der Kolonieanzahl von 396618,7 ± 67787,5. Die positive Kontrollgruppe mit 5,25 % NaOCl erreichte eine durchschnittliche Hemmrate von 47,2 % ± 3,0 %, mit individuellen Hemmwerten von 46,8 %, 43,1 % und 51,7 %.
Abbildung 1: Antibakterielle Wirksamkeit von Laserbehandlungen gegen Enterococcus faecalis. Bakterielle Hemmungsraten nach drei aufeinanderfolgenden Behandlungstagen mit 808-nm-Dioden-, 1940-nm-Thulium- und 2940-nm-Erbium-Lasersystemen unter Verwendung unterschiedlicher Bestrahlungsparameter. Natriumhypochlorit (NaOCl), 5,25 %, diente als positiver Kontrollansatz, steriles Kochsalz als negativer Kontrollansatz mit 0 % Hemmung. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) aus n = 3 unabhängigen Proben pro Behandlungsgruppe dargestellt. Fehlerbalken repräsentieren die SD. * kennzeichnet P < 0,05, ** kennzeichnet P < 0,01 und *** kennzeichnet P < 0,001. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Alle laserbehandelten Gruppen zeigten höhere Hemmraten als die positive Kontrollgruppe mit 5,25 % NaOCl. Mit zunehmender Laserleistung oder Pulsenergie sowie längeren Bestrahlungszeiten wurde eine erhöhte antibakterielle Wirkung beobachtet. Beispielsweise stieg in der Gruppe mit dem 808-nm-Diodenlaser die mittlere Hemmrate von 53,1 % ± 6,5 % bei 1,0 W für 10 s auf 80,2 % ± 2,6 % bei 2,0 W für 30 s an. Zwischen den Behandlungsgruppen mit 1,0 W für 30 s und 2,0 W für 30 s wurde ein statistisch signifikanter Unterschied festgestellt (P < 0,01).
Der 1940 nm-Thuliumlaser zeigte unter den meisten getesteten Bedingungen eine höhere antibakterielle Wirkung als der Diodenlaser. Bei 1,5 W über 10 s betrug die mittlere Hemmrate 78,8 % ± 1,9 %. Bei 2,5 W über 30 s stieg die Hemmrate auf 91,6 % ± 0,4 %. Die höchste Hemmrate innerhalb der Thuliumlaser-Gruppe wurde bei 3,5 W über 30 s beobachtet und erreichte 97,4 % ± 0,8 %. Dieser Wert war signifikant höher als der der positiven Kontrollgruppe mit 5,25 % NaOCl (P < 0,001) und der des 808 nm-Diodenlasers bei 2,0 W über 30 s (P < 0,001).
Der 2940 nm-Erbiumlaser zeigte die stärkste antibakterielle Wirkung unter den drei Lasersystemen. Bei 10 mJ über 10 s betrug die mittlere Hemmrate 84,3 % ± 1,5 %. Bei 20 mJ über 30 s lag die Hemmrate bei 96,5 % ± 2,0 %. Die höchste Hemmrate wurde bei 30 mJ über 30 s beobachtet und erreichte 99,0 % ± 0,6 %. Dieser Wert war signifikant höher als der der positiven Kontrollgruppe mit 5,25 % NaOCl (P < 0,001), der des 1940 nm-Thuliumlasers bei 2,5 W über 30 s (P < 0,01) und aller Behandlungsgruppen mit dem 808 nm-Diodenlaser (P < 0,001).
Die Ergebnisse zeigen, dass alle drei Lasersysteme eine antibakterielle Wirkung gegen E. faecalis aufwiesen, wobei im Allgemeinen höhere Bestrahlungsparameter mit stärkeren Hemmraten verbunden waren. Unter den getesteten Bedingungen erzielte der 2940 nm-Erbiumlaser die höchste antibakterielle Hemmung, gefolgt vom 1940 nm-Thuliumlaser und dem 808 nm-Diodenlaser, was die Studienhypothese unterstützt, dass eine laserunterstützte intrakanale Desinfektion unter den getesteten experimentellen Bedingungen die bakterielle Belastung wirksam reduzieren kann.
Auswirkung von Laserbehandlungen auf die Wachstumsdynamik von Bakterien
Das erneute Wachstum von Bakterien nach der Behandlung wurde durch die Messung der OD600 über einen Zeitraum von 24 Stunden bewertet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 und Abbildung 2, Zusatzinformationen dargestellt. Die Kontrollgruppe mit steriler Kochsalzlösung zeigte ein typisches bakterielles Wachstumsmuster, das aus einer Lag-Phase von etwa 4 Stunden, gefolgt von einem schnellen exponentiellen Wachstum zwischen 4 und 12 Stunden, sowie einer stationären Phase bestand, wobei die maximalen OD600-Werte zwischen 1,167 und 1,245 lagen.
Abbildung 2: Wachstumskurven von Enterococcus faecalis nach Laserbehandlung. Wachstumsdynamik von Enterococcus faecalis, die aus behandelten Wurzelkanälen über einen Zeitraum von 24 Stunden gewonnen wurden, gemessen als optische Dichte bei 600 nm (OD600). Dargestellt sind repräsentative Wachstumskurven für die sterilen Saline-Kontrolle, die 5,25%ige Natriumhypochlorit (NaOCl)-Kontrolle sowie ausgewählte Behandlungsgruppen mit 808-nm-Diodenlaser, 1940-nm-Thuliumlaser und 2940-nm-Erbiumlaser. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) aus n = 3 unabhängigen Proben dargestellt, mit jeweils fünf technischen Wiederholungen pro Probe. Die Fehlerbalken zeigen die SD an. * kennzeichnet P < 0,05, ** kennzeichnet P < 0,01 und *** kennzeichnet P < 0,001. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Die Gruppen mit der 808-nm-Diodenlaserbehandlung zeigten eine parameterabhängige Hemmung des bakteriellen Wachstums. Bei 1,0 W über 10 s ähnelte die Wachstumskurve derjenigen der 5,25 % NaOCl-Gruppe, wobei das exponentielle Wachstum etwa nach 8 h begann. Bei 2,0 W über 30 s verlängerte sich die Lag-Phase auf etwa 10 h, und der OD600-Wert nach 14 h war signifikant niedriger als der der 5,25 % NaOCl-Gruppe (0,559 ± 0,042 vs. 0,934 ± 0,042, P < 0,001).
Die Gruppen mit dem 1940 nm-Thulium-Laser zeigten eine stärkere Hemmung des bakteriellen Wachstums als die Gruppen mit Diodenlaser. Bei 1,5 W für 10 s begann das exponentielle Wachstum etwa nach 10 h. Bei 2,5 W für 30 s verlängerte sich die Lag-Phase auf etwa 11 h, wobei die OD600-Werte signifikant niedriger waren als die der sterilen Kochsalzlösung-Kontrolle und des 808 nm-Diodenlasers mit 2,0 W für 30 s zum entsprechenden Zeitpunkt (P < 0,001 für beide). Bei 3,5 W für 30 s blieb das bakterielle Wachstum deutlich unterdrückt, wobei die OD600-Werte ab 12 h bei oder unter etwa 0,15 lagen und danach praktisch unverändert blieben.
Die Gruppen mit dem 2940 nm-Erbiumlaser zeigten die stärkste Hemmung des bakteriellen Wachstums. Bei 10 mJ über 10 s wurde kein exponentieller Anstieg des bakteriellen Wachstums beobachtet, bis etwa 10 h nach der Behandlung. Eine weitere Erhöhung der Impulsenergie verzögerte den Beginn des exponentiellen Wachstums weiter. Bei 30 mJ über 30 s verzögerte sich das exponentielle Wachstum bis etwa 12 h, wobei der mittlere OD600-Wert unter 0,20 blieb. Nach 12 h war der OD600-Wert der Gruppe mit dem 2940 nm-Erbiumlaser, behandelt mit 30 mJ über 30 s, signifikant niedriger als der der Gruppe mit dem 808 nm-Diodenlaser, behandelt mit 2,0 W über 30 s (0,120 ± 0,001 vs. 0,274 ± 0,044, P < 0,001).
Insgesamt verzögerten alle drei Lasersysteme im Vergleich zu den Kontrollgruppen das erneute Wachstum von Bakterien, wobei mit zunehmenden Bestrahlungsparametern eine stärkere Hemmung beobachtet wurde. Unter den getesteten Bedingungen führte der 2940 nm-Erbiumlaser zur stärksten Hemmung des erneuten bakteriellen Wachstums, gefolgt vom 1940 nm-Thuliumlaser und dem 808 nm-Diodenlaser, was die Studienhypothese unterstützt.
Thermische Sicherheitsbewertung verschiedener Laserbehandlungen an der äußeren Wurzeloberfläche
Zusätzlich zu ihrer antibakteriellen Wirkung wurde die thermische Sicherheit der drei Lasersysteme durch Messung des Temperaturanstiegs an der äußeren Wurzeloberfläche (ΔT) bewertet. Ein Temperaturanstieg von mehr als 10 °C galt als Schwellenwert für eine mögliche Schädigung des parodontalen Gewebes. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3: Temperaturänderungen an der äußeren Wurzeloberfläche während der Laserbestrahlung. Änderungen der Temperatur an der äußeren Wurzeloberfläche (ΔT) nach Bestrahlung mit 808-nm-Dioden-, 1940-nm-Thulium- und 2940-nm-Erbium-Lasersystemen unter Verwendung unterschiedlicher Bestrahlungsparameter. Die gestrichelte horizontale Linie markiert die 10 °C-Grenze, die üblicherweise mit einer möglichen Schädigung des parodontalen Gewebes assoziiert wird. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) aus n = 3 unabhängigen Proben dargestellt. Die Fehlerbalken entsprechen der SD. * kennzeichnet P < 0,05, ** kennzeichnet P < 0,01 und *** kennzeichnet P < 0,001. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Der 808-nm-Diodenlaser verursachte den stärksten Anstieg der Wurzeloberflächentemperatur. Bei einer Leistung von 1,0 W über 10 s betrug der mittlere Temperaturanstieg (ΔT) 6,0 °C ± 0,7 °C. Bei Verlängerung der Bestrahlungszeit auf 30 s bei gleicher Leistung stieg der mittlere ΔT auf 10,4 °C ± 0,9 °C. Bei 2,0 W über 30 s erhöhte sich der mittlere ΔT weiter auf 14,8 °C ± 3,8 °C und überschritt in allen Proben die Sicherheitsgrenze von 10 °C.
Der 1940 nm Thulium-Laser verursachte moderate Temperaturerhöhungen. Bei 1,5 W über 10 s betrug die mittlere ΔT 2,5°C ± 0,7°C. Eine Erhöhung der Leistung auf 2,5 W und der Bestrahlungsdauer auf 30 s steigerte die mittlere ΔT auf 8,8°C ± 0,9°C, wobei eine Probe 10,2°C erreichte. Bei 3,5 W über 30 s stieg die mittlere ΔT auf 12,7°C ± 1,9°C an, und alle Proben überschritten die Sicherheitsschwelle von 10°C. Die Temperaturerhöhung bei 3,5 W über 30 s war signifikant größer als die bei 2,5 W über 30 s (P < 0,01).
Der 2940 nm-Erbiumlaser verursachte bei allen getesteten Parametern die geringste Erhöhung der äußeren Wurzeloberflächentemperatur. Bei 10 mJ über 10 s betrug die mittlere ΔT 0,8 °C ± 0,1 °C. Bei der maximalen getesteten Einstellung von 30 mJ über 30 s betrug die mittlere ΔT 3,6 °C ± 1,0 °C, wobei die gemessenen Temperaturen zwischen 2,1 °C und 5,0 °C lagen. Alle gemessenen Temperaturerhöhungen blieben unterhalb der Sicherheitsschwelle von 10 °C. Die mit dem 1940 nm-Thuliumlaser bei 3,5 W über 30 s beobachtete Temperaturerhöhung war signifikant größer als die mit dem 2940 nm-Erbiumlaser bei 30 mJ über 30 s (P < 0,01).
Insgesamt zeigte der 2940 nm-Erbiumlaser unter allen getesteten Bedingungen die geringsten Anstiege der äußeren Wurzeloberflächentemperatur, während der 808 nm-Diodenlaser und die höheren Leistungsstufen des 1940 nm-Thuliumlasers stärkere Temperaturerhöhungen verursachten, wobei bei einigen Bedingungen die vordefinierte Sicherheitsschwelle überschritten wurde.
Datenverfügbarkeit:
Alle Rohdaten, die die Ergebnisse dieser Studie unterstützen, sind als ergänzende Dateien bereitgestellt. Repräsentative Bilder von koloniebildenden Einheiten (CFU) und vollständige bakterielle Wachstumskurven sind in den ergänzenden Abbildungen 1 und 2 enthalten. Einzelne temperaturmessungen der äußeren Wurzeloberfläche auf Proben-Ebene sind in der ergänzenden Tabelle 1 angegeben, und die rohen Daten zur antibakteriellen Aktivität, einschließlich Grauwerte der Koloniefläche und berechnete Hemmraten für alle Behandlungsgruppen, sind in der ergänzenden Tabelle 2 enthalten. Diese ergänzenden Dateien beinhalten die Primärdaten, die den im Hauptmanuskript präsentierten Ergebnissen zugrunde liegen.
Zusatzdateien
Abbildung S1. Vertretende Kolonie-bildende-Einheit-(CFU)-Platten nach Laserbehandlung von Enterococcus faecalis. Vertretende Agarplatten mit Gehirn-Herz-Infusionsmedium (BHI), die die nach drei aufeinanderfolgenden Behandlungen aus Wurzelkanalproben gewonnenen koloniebildenden Einheiten (CFUs) zeigen. Die Proben wurden vor dem Ausplattieren seriell verdünnt (10−3) und 24 h inkubiert. Es werden vertretende Bilder für die sterile Kochsalzlösung-Negativkontrolle, die 5,25%ige Natriumhypochlorit-(NaOCl-)Positivkontrolle, die 808-nm-Diodenlaserbehandlung (2,0 W, 30 s), die 1940-nm-Thuliumlaserbehandlung (3,5 W, 30 s) und die 2940-nm-Er:YAG-Laserbehandlung (30 mJ, 30 s) gezeigt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 2, Zusatzmaterial. Vollständige Wachstumskurven von Enterococcus faecalis über 24 Stunden nach Laserbehandlung. Wachstumsdynamik von Enterococcus faecalis, die aus behandelten Wurzelkanälen über einen Zeitraum von 24 Stunden gewonnen wurden, gemessen als optische Dichte bei 600 nm (OD600). Bakterielle Suspensionen wurden auf 1 × 106 koloniebildende Einheiten (CFU)/mL eingestellt und in Brain-Heart-Infusion-(BHI)-Brühe bei 37 °C inkubiert. Dargestellt sind die Wachstumskurven für die sterile Kochsalzlösung als Negativkontrolle, 5,25 % Natriumhypochlorit (NaOCl) als Positivkontrolle sowie alle experimentellen Laserbehandlungsgruppen: 808-nm-Diodenlaser (1,0, 1,5 und 2,0 W für 10, 20 und 30 s), 1940-nm-Thuliumlaser (1,5, 2,5 und 3,5 W für 10, 20 und 30 s) und 2940-nm-Er:YAG-Laser (10, 20 und 30 mJ bei 15 Hz für 10, 20 und 30 s). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Erweiterte Tabelle 1. Messungen der äußeren Wurzeloberflächentemperatur während der Laserbestrahlung.
Die Temperaturen an der äußeren Wurzeloberfläche vor und nach der Bestrahlung werden für jede Probe angegeben, die mit dem 808-nm-Dioden-, 1940-nm-Thulium- oder 2940-nm-Erbiumlaser unter den angegebenen Leistungs- oder Pulsenergie- und Bestrahlungsdauer-Bedingungen behandelt wurde. Die Temperaturdifferenz wurde berechnet als ΔT = Temperatur nach Bestrahlung − Temperatur vor Bestrahlung. Für jede Parameterkombination wurden drei unabhängige Proben untersucht. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzungstabelle 2. Rohdaten der Koloniebildenden-Einheiten-(CFU)-Analyse zur antibakteriellen Wirkung nach Laserbehandlung.
Grauwerte der Koloniefläche und berechnete Hemmraten für jede Probe nach Behandlung mit dem 808 nm-Dioden-, 1940 nm-Thulium- oder 2940 nm-Erbiumlaser unter den angegebenen Bestrahlungsparametern sind dargestellt. Kochsalzlösung und 5,25 % Natriumhypochlorit (NaOCl) dienten als negative bzw. positive Kontrollgruppen. Die Hemmrate wurde relativ zur Kochsalzlösungs-Kontrollgruppe berechnet. Für jede Behandlungsbedingung wurden drei unabhängige Proben analysiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Diskussion
Die vorliegende ex vivo-Studie verglich die antibakterielle Wirksamkeit und thermische Sicherheit von 808-nm-Dioden-, 1940-nm-Thulium- und 2940-nm-Erbium-Lasern zur Eliminierung E. faecalis Biofilme aus infizierten Wurzelkanälen. Alle drei Lasersysteme zeigten eine stärkere bakterielle Hemmung als 5,25 % NaOCl; ihre antibakterielle Wirksamkeit und thermischen Profile unterschieden sich jedoch erheblich. Der 2940 nm-Erbiumlaser erzielte das insgesamt günstigste Verhältnis, indem er die höchste antibakterielle Aktivität mit der geringsten Temperaturerhöhung an der äußeren Wurzeloberfläche kombinierte. Der 1940 nm-Thuliumlaser zeigte ebenfalls eine starke antibakterielle Wirksamkeit, wobei jedoch seine höchsten Bestrahlungsparameter die 10°C thermische Sicherheitsschwelle. Der 808 nm-Diodenlaser zeigte vergleichsweise geringere antibakterielle Wirkung und weniger günstige thermische Sicherheit. Diese Ergebnisse zeigen, dass Laserwellenlänge und Bestrahlungsparameter wichtige Faktoren für die Balance zwischen intrakanaler Desinfektion und Sicherheit des parodontalen Gewebes sind.16. Direkte Vergleiche zwischen den verschiedenen Lasersystemen sollten jedoch mit Vorsicht interpretiert werden, da jede Wellenlänge unterschiedliche klinische Indikationen, Applikationssysteme und Wirkmechanismen aufweist. Die vorliegende Studie verglich die antibakterielle Wirksamkeit unter standardisierten ex vivo Bedingungen, aber die optimale Anwendung jedes Lasers hängt möglicherweise von dem jeweiligen klinischen Szenario, den Behandlungszielen und der verfügbaren Instrumentierung ab.
Die unterschiedlichen Ergebnisse der drei Lasersysteme lassen sich weitgehend durch wellenlängenabhängige Wechselwirkungen mit Wasser, Dentin und bakteriellen Biofilmen erklären. Der 808 nm-Diodenlaser wird von Wasser schlecht absorbiert und wirkt hauptsächlich durch direkte photothermische Effekte. Diodenlaser können Bakterien durch hitzeinduzierte Denaturierung von Proteinen und Störung der bakteriellen Membranen eliminieren17. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch davon ab, wie nahe die Laserfaser den Zielbakterien kontaktiert oder sich nähert, was aufgrund der komplexen Anatomie des Wurzelkanalsystems eine Herausforderung darstellt. Dies könnte erklären, warum der Diodenlaser selbst bei 2,0 W über 30 s nur ein mäßiges Maß an bakterieller Hemmung erzielte. Die Wachstumskurvenanalyse zeigte, dass einige Bakterien nach der Behandlung mit dem Diodenlaser überlebten und weiterhin in der Lage waren, sich erneut zu vermehren, was darauf hindeutet, dass das vorhandene Biofilm nicht vollständig beseitigt wurde18. Der 1940 nm-Thuliumlaser weist eine stärkere Wasserabsorption als der Diodenlaser auf und kann in flüssigkeitsgefüllten Kanälen sowohl photothermische als auch photomechanische Effekte hervorrufen19. Diese höhere Wasserabsorption könnte für seine stärkere antibakterielle Wirkung verantwortlich sein; sie führt jedoch auch zu stärkeren Temperaturerhöhungen bei höheren Leistungseinstellungen. Beispielsweise führte die Bestrahlung mit 3,5 W über 30 s zu einer deutlichen antibakteriellen Aktivität, überstieg dabei jedoch die empfohlene Grenze von 10 °C, um eine Schädigung des parodontalen Gewebes zu vermeiden11,20. Daher scheint ein Kompromiss zwischen ausreichender Desinfektion infizierter Wurzelkanäle und der Vermeidung übermäßiger Temperaturerhöhungen zu bestehen, die das umliegende Gewebe möglicherweise schädigen könnten. Diese Lasersysteme sollten nicht als direkt austauschbar betrachtet werden, da ihre Wellenlängen unterschiedliche primäre Chromophore und Mechanismen des Energieeintrags aufweisen. Der Diodenlaser erzeugt hauptsächlich direkte photothermische Effekte, während Thulium- und Erbiumlaser stärker mit dem intrakanalaren Wasser interagieren und zusätzliche, fluidvermittelte Effekte hervorrufen. Die beobachteten Unterschiede könnten daher sowohl auf die Bestrahlungsparameter als auch auf die unterschiedlichen Wirkmechanismen der drei Lasersysteme zurückzuführen sein.
Der 2940 nm-Erbiumlaser wies das günstigste Gesamtprofil auf, hauptsächlich aufgrund seiner starken Absorption durch Wasser21Wenn der Laser in einem bewässerten Kanal aktiviert wird, wird die Laserenergie rasch von einer dünnen Wasserschicht absorbiert, wodurch Kavitation, Stoßwellen und Flüssigkeitsbewegungen entstehen, die in der Lage sind, Biofilme mechanisch zu zerstören, während die Wärmeübertragung auf die äußere Wurzeloberfläche begrenzt bleibt.21,22Dieser Mechanismus könnte erklären, warum der Erbiumlaser die höchste Hemmrate erreichte, während alle strahlungsbedingten Temperaturerhöhungen innerhalb der vordefinierten Sicherheitsschwelle blieben. Somit zeigte der Erbiumlaser unter den in dieser ex vivo-Studie untersuchten experimentellen Bedingungen das günstigste Verhältnis zwischen antibakterieller Wirksamkeit und thermischer Sicherheit im Vergleich zu den anderen getesteten Lasersystemen. Diese Ergebnisse gelten jedoch nur für die getesteten ex vivo Bedingungen und belegen nicht die klinische Überlegenheit des Erbium-Lasers. Weitere in vivo und klinische Studien sind erforderlich, bevor diese Ergebnisse in klinische Behandlungsempfehlungen umgesetzt werden können. Bemerkenswert ist auch die niedrigere Inhibitionsrate, die mit 5,25 % NaOCl beobachtet wurde. NaOCl wird seit langem als Standard-Spüllösung zur bakteriellen Eliminierung während der endodontischen Behandlung verwendet; seine antibakterielle Wirkung kann jedoch in ausgereiften Biofilmen und tiefen dentinalen Tubuli aufgrund eingeschränkter Penetration, chemischer Neutralisation und der schützenden Wirkung der Biofilm-Matrix begrenzt sein.23,24Diese Befunde legen nahe, dass die durch Laser erzeugten physikalischen Effekte – wie Kavitation, Schockwellen und akustisches Strömen – die bakterielle Eliminierung über eine alleinige Spülung mit Natriumhypochlorit hinaus verbessern können.8,25Daher unterstützen die Ergebnisse dieser Studie den Einsatz der laserunterstützten Spülung als ergänzende Methode zur Wurzelkanaldesinfektion, nicht jedoch als Ersatz für konventionelle Spülprotokolle. Physiologische Kochsalzlösung und NaOCl wurden als negative bzw. konventionelle chemische Kontrollen eingeschlossen, da das primäre Ziel dieser Studie darin bestand, die drei Lasersysteme unter standardisierten experimentellen Bedingungen zu vergleichen. Die Studie war nicht darauf angelegt, die Laserbestrahlung mit zeitgenössischen sonischen, ultraschallgestützten oder anderen aktivierten Spülverfahren zu vergleichen. Folglich ist die fehlende Berücksichtigung dieser Vergleichsgruppen eine Einschränkung hinsichtlich der klinischen Relevanz der Ergebnisse, die in zukünftigen Studien adressiert werden sollte.
Die thermische Sicherheit bleibt eine wichtige Überlegung für die klinische Anwendung. Bei Bestrahlung mit Diodenlasern für 30 s wurden unter mehreren Bestrahlungsparametern der 10 °C-Schwellenwert überschritten oder angenähert, was auf ein potenzielles Risiko einer Schädigung des Parodontalgewebes hindeutet26. Thuliumlaser zeigten stärkere antibakterielle Wirkungen als Diodenlaser; ihr Sicherheitsspielraum verengte sich jedoch bei höheren Leistungseinstellungen, insbesondere bei 3,5 W über 30 s. Im Gegensatz dazu blieben die Temperaturerhöhungen beim 2940 nm-Erbiumlaser selbst bei der höchsten getesteten Einstellung unter 5 °C. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine sorgfältige Auswahl der Parameter erforderlich ist, wenn Dioden- oder Thuliumlaser verwendet werden, während der Erbiumlaser unter den in dieser Studie untersuchten Bedingungen einen größeren thermischen Sicherheitsspielraum aufwies.
Die vorliegende Studie weist mehrere Limitationen auf. Erstens wurde ein Ex-vivo-Modell verwendet, das die biologische Umgebung einer klinischen Infektion nicht vollständig reproduzieren kann. Insbesondere der fehlende Blutdurchfluss und die physiologische Gewebekühlung könnten die Wärmeableitung sowie Temperaturveränderungen an der äußeren Wurzeloberfläche beeinflussen. Zudem bedeutet das Fehlen von Wirtsimmunantworten, dass die antibakteriellen Befunde lediglich die direkten Effekte der Laserbestrahlung widerspiegeln und keine immunvermittelte Bakterieneliminierung berücksichtigen. Zweitens wurde nur eine bakterielle Spezies, E. faecalis, untersucht, während die meisten infizierten Wurzelkanäle polymikrobielle Biofilme enthalten.27. Ein Einzelspezies-Modell kann die zwischenartlichen Wechselwirkungen, die heterogene Biofilmmorphologie oder die variable antimikrobielle Empfindlichkeit, die charakteristisch für klinische polymikrobielle Infektionen sind, nicht reproduzieren. Daher entspricht die beobachtete antibakterielle Wirksamkeit gegenüber E. faecalis dürfen nicht auf die gesamte mikrobielle Gemeinschaft in infizierten Wurzelkanälen übertragen werden. Drittens wurden alle Experimente unter statischen Laborbedingungen durchgeführt, während lebende Zähne durch umgebendes Gewebe und Blutperfusion beeinflusst werden, was die Wärmeabfuhr beeinflussen kann28Schließlich wurden nur ausgewählte Wellenlängen und Kombinationen von Bestrahlungsparametern evaluiert. Die getesteten Wellenlängen wurden so gewählt, dass sie Lasersysteme mit unterschiedlichen Wasserabsorptionseigenschaften und antibakteriellen Wirkmechanismen repräsentieren, während die Bestrahlungseinstellungen klinisch realistische Leistungs- oder Energiestufen sowie Expositionszeiten widerspiegeln sollten. Dennoch beschränkt die geringe Anzahl an Parameterkombinationen die Übertragbarkeit der Ergebnisse, und zukünftige Studien sollten zusätzliche Einstellungen untersuchen. Obwohl E. faecalis wird häufig als repräsentativer Organismus in der endodontischen Forschung verwendet, da er persistent ist und gegen antimikrobielle Herausforderungen resistent bleibt; dennoch sollte er nicht als alleiniger Indikator für eine endodontische Infektion oder Therapieversagen betrachtet werden. Klinische Infektionen sind typischerweise polymikrobiell, und zukünftige Studien, die multispezifische Biofilmmodelle nutzen, sind erforderlich, um die Komplexität der Mikrobiota des Wurzelkanals besser abzubilden.
Zusammenfassend zeigte jedes Lasersystem eine stärkere antibakterielle Wirkung gegen E. faecalis als 5,25 % NaOCl allein. Unter den in dieser ex vivo-Studie untersuchten experimentellen Bedingungen wies der 2940-nm-Erbiumlaser das günstigste Verhältnis zwischen antibakterieller Wirksamkeit und thermischer Sicherheit auf. Der 1940-nm-Thuliumlaser zeigte ebenfalls eine starke antibakterielle Aktivität; jedoch erhöhte die Verwendung von höheren Leistungseinstellungen das Risiko einer thermischen Gewebeschädigung. Der 808-nm-Diodenlaser wies eine geringere antibakterielle Wirksamkeit und eine weniger günstige thermische Sicherheit im Vergleich zu den Thulium- und Erbiumlasern auf. Diese Ergebnisse untermauern weitere Untersuchungen zur Desinfektion mithilfe des 2940-nm-Erbiumlasers als vielversprechende ergänzende Methode für die endodontische Behandlung29.
Offenlegungen
Interessenkonflikt:
Die Autoren erklären, dass sie bezüglich dieser Studie keine konkurrierenden Interessen haben. Es bestehen keine finanziellen oder nicht-finanziellen Interessenkonflikte, einschließlich Beschäftigung, Beratungstätigkeiten, Aktienbesitz, Honorare oder bezahlte Sachverständigengutachten.
Danksagungen
Diese Studie wurde durch das Medizinische Forschungsprogramm der Gesundheitskommission des Bezirks Hongkou unterstützt.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 0,9%ige Kochsalzlösung | Beyotime | ST341-500ml | Zahnaufbewahrung, Spülung und negativer Kontrolle |
| 1,5-mL-Mikrozentrifugenröhrchen | Axygen | MCT-150-C | Probenentnahme und serielle Verdünnung |
| 24-Loch-Kulturplatte | Corning | 3524 | Biofilminkubation |
| 96-Loch-Mikroplatte | Corning | 3599 | Bakterielles Wachstumskurven-Assay |
| Autoklav | Tuttnauer | 2540E | Sterilisation vorbereiteter Wurzeln |
| Brain-Heart-Infusion-(BHI-)Agar | BD Biosciences | 211065 | Bakterielle Kultur und CFU-Zählung |
| Brain-Heart-Infusion-(BHI-)Brühe | BD Biosciences | 237500 | Bakterielle Kultur und Wachstumskurvenanalyse |
| Klare Nagellack | Beyotime | C0187 | Abdichtung der äußeren Wurzeloberfläche |
| Diamantsäge (niedrige Geschwindigkeit) | Buehler | IsoMet Low Speed Saw | Kronensektionierung |
| Digitalthermometer (mit K-Typ-Thermoelement kompatibel) | OMEGA Engineering | HH802U | Temperaturmessung an der äußeren Wurzeloberfläche |
| Enterococcus faecalis ATCC 29212 | American Type Culture Collection (ATCC) | ATCC 29212 | Bakterieller Stamm |
| Ethylenendiamintetraessigsäure (EDTA), 17% | Sigma-Aldrich | E9884 | Endgültige Kanalspülung |
| Fließfähiger Harz-Composite | 3M ESPE | 6031A2 | Abdichtung des apikalen Foramens |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | Version 9.0 • RRID: SCR_002798 | Erstellung von Diagrammen |
| Hedström-Feile, Größe 40 | Dentsply Maillefer | 80603010042 | Gewinnung von Dentinspänen |
| K-Feile, Größe 10 | Dentsply Maillefer | 800-0210 | Bestimmung der Arbeitslänge |
| Lasersystem, 1940 nm, thuliumdotierter Faserlaser | Menovex Medical Technology (Shenzhen) Co., Ltd. (Arpadent) | TN20 | Laserbestrahlung |
| Lasersystem, 2940 nm, Er:YAG | PointNix Co., Ltd. | Modular-beam | Laserbestrahlung |
| Lasersystem, 808 nm, Diodenlaser | elexxion AG | Claros Nano | Laserbestrahlung |
| Mikropipette | Eppendorf | 3123000063 | Probeninokulation |
| Mineralöl (steril) | Sigma-Aldrich | M5904 | Verhinderung der Verdunstung während des bakteriellen Wachstumskurven-Assays |
| Nickel-Titan-Rotationsfeilensystem (F3-Präparation) | Dentsply Sirona | ProTaper Gold | Wurzelkanalpräparation |
| Glasfaser für 1940-nm-thuliumdotierten Faserlaser | Menovex Medical Technology (Shenzhen) Co., Ltd. (Arpadent) | 400 µm Durchmesser | Laserbestrahlung |
| Glasfaser für 2940-nm-Er:YAG-Laser | PointNix Co., Ltd. | 600 µm Durchmesser | Laserbestrahlung |
| Glasfaser für 808-nm-Diodenlaser | elexxion AG | elexxion longlife 200, 200 µm (Art. Nr. 10063) | Laserbestrahlung |
| Parodontalsonde | Hu-Friedy | PCPUNC156 | Wurzellängenmessung |
| Parodontalskalierer | Hu-Friedy | SJ34-35 | Entfernung von Zahnstein und Weichgewebe |
| Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) | Gibco / Thermo Fisher Scientific | 10010023 | Waschen und bakterielle Verdünnung |
| Pipettenspitzen (10 µL, 200 µL, 1000 µL) | Axygen | T-300 / T-200-Y / T-1000-B | Flüssigkeitshandhabung |
| Rundkolbenstativ | Biosharp | BS-IT-01 | Befestigung der Wurzelprobe |
| Rasterelektronenmikroskop (REM) | Hitachi High-Technologies | TM4000Plus | Biofilmabbildung |
| Schüttelinkubator | Thermo Fisher Scientific | MaxQ 4000 | Inkubation der Brühe |
| Natriumhypochlorit (NaOCl), 5,25% | Sigma-Aldrich | 425044 | Kanalirrigation und positiver Kontrolle |
| Spektrophotometer/Inkubator (Mikroplattenreader) | BioTek / Agilent Technologies | Epoch 2 | Optische Dichte bei 600 nm (OD600)-Messungen |
| SPSS | IBM | Version 26.0 • RRID: SCR_002865 | Statistische Analyse |
| Sterile Papierpunkte | Dentsply Maillefer | Absorbent Paper Points, ISO 20, 0,02 Konizität, 28 mm | Trocknung und bakterielle Probenahme aus dem Kanal |
| Thermoelementsonde (K-Typ) | OMEGA Engineering | 88000 | Temperaturmessung |
| Vortex-Mischer | Scientific Industries | Vortex-Genie 2 | Mischen bakterieller Suspensionen |
Referenzen
- Stuart CH, Schwartz SA, Beeson TJ, Owatz CB. Enterococcus faecalis: its role in root canal treatment failure and current concepts in retreatment. J Endod. 2006;32(2):93-98.
- Love RM. Enterococcus faecalis: a mechanism for its role in endodontic failure. Int Endod J. 2001;34(5):399-405.
- Sedgley CM, Lennan SL, Appelbe OK. Survival of Enterococcus faecalis in root canals ex vivo. Int Endod J. 2005;38(10):735-742.
- Siqueira JF Jr, Rôças IN. Clinical implications and microbiology of bacterial persistence after treatment procedures. J Endod. 2008;34(11):1291-1301.
- Peters OA. Current challenges and concepts in the preparation of root canal systems: a review. J Endod. 2004;30(8):559-567.
- Zehnder M. Root canal irrigants. J Endod. 2006;32(5):389-398.
- Marending M, et al. Effect of sodium hypochlorite on human root dentine: mechanical, chemical and structural evaluation. Int Endod J. 2007;40(10):786-793.
- de Groot SD, et al. Laser-activated irrigation within root canals: cleaning efficacy and flow visualization. Lasers Med Sci. 2009;24(6):1017-1024.
- Schoop U, et al. Innovative wavelengths in endodontic therapy: a comparative study of Er:YAG and diode laser for bacterial reduction. Lasers Surg Med. 2006;38(5):432-437.
- Gutknecht N, et al. Bactericidal effect of a 980-nm diode laser in the root canal wall dentin of bovine teeth. J Clin Laser Med Surg. 2004;22(1):9-13.
- Hin R, Klinke T, Gutknecht N. Antibacterial effect of a 1940-nm thulium laser in root canal treatment. Lasers Med Sci. 2018;33(5):1051-1056.
- Hibst R, Keller U. Experimental studies of the application of the Er:YAG laser on dental hard substances: I. Measurement of the ablation rate. Lasers Surg Med. 1989;9(4):338-344.
- DiVito E, Peters OA, Olivi G. Effectiveness of the erbium:YAG laser and new design radial and stripped tips in removing the smear layer. J Endod. 2012;38(6):763-766.
- Meire MA, et al. Effectiveness of different laser systems to kill Enterococcus faecalis in aqueous suspension and in an infected tooth model. Int Endod J. 2009;42(4):351-359.
- Eriksson AR, Albrektsson T. Temperature threshold levels for heat-induced bone tissue injury: a vital microscopic study in the rabbit. J Prosthet Dent. 1983;50(1):101-107.
- Stabholz A, Sahar-Helft S, Moshonov J. Lasers in endodontics. Dent Clin North Am. 2004;48(4):809-832.
- Gutknecht N, et al. Temperature evolution on human teeth root surface after diode laser irradiation. J Oral Laser Appl. 2005;5(2):75-80.
- Schoop U, et al. Bactericidal effect of different laser systems in the deep layers of dentin. Lasers Surg Med. 2004;35(2):111-116.
- Fried NM, Murray KE. High-power thulium fiber laser ablation of urinary tissues at 1.94 µm. J Endourol. 2005;19(1):25-31.
- Hmud R, et al. Cavitational effects in aqueous endodontic irrigants generated by near-infrared lasers. J Endod. 2010;36(2):275-278.
- Matsumoto H, Yoshimine Y, Akamine A. Visualization of irrigant flow and cavitation induced by Er:YAG laser within a root canal model. J Endod. 2011;37(6):839-843.
- George R, Walsh LJ. Thermal effects of Er:YAG laser on dentin: an in vitro study. J Oral Laser Appl. 2007;7(3):155-159.
- Siqueira JF Jr, et al. Bacteriologic investigation of the effects of sodium hypochlorite and chlorhexidine during the endodontic treatment of teeth with apical periodontitis. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2007;104(1):122-130.
- Zou L, et al. Penetration of sodium hypochlorite into dentin. J Endod. 2010;36(5):793-796.
- Peters OA, et al. Disinfection of root canals with photon-induced photoacoustic streaming. J Endod. 2011;37(7):1008-1012.
- Attrill DC, et al. Thermal effects of the Er:YAG laser on a simulated dental pulp: a quantitative evaluation of the effects of a water spray. J Dent. 2004;32(1):35-40.
- Shen Y, Stojicic S, Haapasalo M. Antimicrobial efficacy of chlorhexidine against bacteria in biofilms at different stages of development. J Endod. 2011;37(5):657-661.
- Kimura Y, et al. Histopathological changes in dental pulp irradiated by Er:YAG laser: a preliminary report. J Clin Laser Med Surg. 2002;20(4):203-207.
- Olivi G, et al. Disinfection efficacy of photon-induced photoacoustic streaming on root canals infected with Enterococcus faecalis: an ex vivo study. J Am Dent Assoc. 2014;145(8):843-848.