Lasereinsatz in der Parodontologie

Das primäre Ziel der Parodontaltherapie ist die mechanische Entfernung supra- und subgingivaler Zahnbeläge sowie die Minimierung parodontopathogener Bakterien im subgingivalen Milieu [1]. Scaling und Wurzelglättung sind essenzielle Maßnahmen, um bakterielle Biofilme und Konkremente von der Wurzeloberfläche zu entfernen. Hierbei können ähnliche Resultate sowohl mit Handinstrumenten als auch mit Schall- und Ultraschallsystemen erzielt werden. Die Effektivität dieser Behandlungsmethoden wurde in einer Vielzahl klinischer Untersuchungen nachgewiesen [2 bis 7]. Einige Untersuchungen deuten jedoch auf eine erhöhte Effektivität der Schall- und Ultraschallsysteme bei der Konkremententfernung von parodontal erkrankten Wurzeloberflächen hin [8, 9]. Als Nachteil konventioneller Ultraschallsysteme ist neben der Hitzeentwicklung an der Arbeitsspitze bei unzureichender Kühlung [10] die bei der Behandlung auftretende Aerosolbildung als kritisch zu bewerten [11]. Ein Temperaturanstieg an der Arbeitsspitze von Schall- und Ultraschallsystemen kann im Rahmen der Parodontaltherapie zu einer Schädigung des pulpalen und parodontalen Gewebes führen [10]. Weiterhin belegen klinische Untersuchungen einen Anstieg gingivaler Rezessionen sowie das Auftreten postoperativer Zahnhalsüberempfindlichkeiten nach Scaling und Wurzelglättung sowohl mit Handinstrumenten als auch Ultraschallsystemen [12-15]. Um einige dieser Probleme zu umgehen, wird seit einigen Jahren der Einsatz verschiedener Lasersysteme erforscht [16, 17].

Die Einführung des Lasers in die Zahnmedizin erfolgte bereits im Jahre 1964 [18]. Basierend auf ihren strahlungsspezifischen Eigenschaften im Rahmen der Ablation, Vaporisation, sowie aufgrund ihrer hämostatischen Effekte und des bakteriziden Potenzials ergeben sich definierte Indikationsbereiche für die verschiedenen zur Verfügung stehenden Lasersysteme. Am häufigsten werden CO2 Laser mit einer Wellenlänge von 10,600 Mikrometern (μm), Nd:YAG Laser (Neodymium-doped:Yttrium, Aluminium und Garnet) mit einer Wellenlänge von 1,064 μm und Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 810 Nanometern (nm) eingesetzt. Diese Systeme werden auf Grund ihrer Schneidleistung im Weichgewebe, begleitet von einem hohen hämostatischen Effekt sowie einem hohen bakteriziden Potenzial [19 bis 21], insbesondere für die orale Weichgewebschirurgie empfohlen [22 bis 24]. Dagegen führte eine direkte Einwirkung dieser Lasertypen auf die Zahnhartsubstanz, speziell bei höheren Energieeinstellungen, zu ausgedehnten thermischen Schädigungen wie Aufschmelzungen oder Karbonisationen [25 bis 31]. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme besteht in der Tatsache, dass mit ihnen eine effektive Konkremententfernung von parodontal erkrankten Wurzeloberflächen nicht möglich ist [30, 32, 33, 34]. Aus diesem Grund sollten Dioden- und Nd:YAG Laser lediglich als Ergänzung nach konventioneller Konkremententfernung bei niedrigen Energieeinstellungen eingesetzt werden, um deren bakterizide Effekte auf parodontopathogene Keime zu nutzen [19, 21, 35]. Für den CO2 Laser fehlen bisher geeignete optische Systeme, die eine nicht chirurgische Instrumentierung parodontaler oder periimplantärer Taschen ermöglichen könnten. Dagegen gewinnt der Er:YAG (Erbium- doped: Yttrium, Aluminium und Garnet) Laser mit einer Wellenlänge von 2,940 nm und seinem „thermo-mechanischen Ablationsvorgang“ zunehmend an Bedeutung. Die Besonderheit dieser Wellenlänge liegt in der Tatsache, dass sie mit der maximalen Absorption in Wasser übereinstimmt, das heißt, die charakteristische Absorption des Er:YAG Lasers in Wasser ist ungefähr 15-mal größer als die des CO2 Lasers und sogar 20 000-mal größer als die des Nd:YAG Lasers [36, 37] (Abb. 1).

Je nach Wahl der physikalischen Laserparameter (Laserleistung, Fokus-Objekt-Abstand, Bestrahlungszeit, Energiedichte) ergeben sich im Gewebe unterschiedliche biologische Vorgänge. Bei der so genannten „thermomechanischen Ablation“ beruht der Abtrag von biologischem Gewebe darauf, dass der Anteil des in ihm enthaltenen Wassers bei Absorption von kurzen Laserpulsen einen sprungartigen Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Aggregatzustand erfährt. Begleitet durch die schnelle Expansion des Wassers entsteht hierbei kurzzeitig ein genügend hoher Druck, um Gewebesubstanz in gewünschter Weise abzutragen [39, 40]. Die zur Ablation benötigte Energie wird demnach nicht von der Verdampfungswärme der höherschmelzenden Gewebesubstanz bestimmt, sondern durch die bei weitem viel niedriger liegende Verdampfungswärme des Wassers (Abb. 2a und b).

Neben der hohen Absorption seiner Wellenlänge in Wasser weisen insbesondere auch OH--Gruppen als Bestandteil von Hydroxylapatit eine relativ hohe Absorption im Bereich von 2,940 μm auf, obwohl sich deren Maximum im Bereich von rund 2,800 μm befindet [41]. Diese physikalischen Eigenschaften erweitern das theoretische Indikationsspektrum des Er:YAG Lasers neben der Bearbeitung von Weichgewebe auch auf eine Abtragung von Zahnhartgewebe (zum Beispiel Kariesentfernung, Kavitätenpräparation) [42]. Die hohe Absorption seiner spezifischen Wellenlänge in Wasser minimiert daneben die thermischen Nebenwirkungen im angrenzenden Gewebe. Die kürzlich vorgestellten Er,Cr:YSGG Laser (Erbium, Chromium-doped: Yttrium-Scandium-Gallium- Garnet) mit einer Wellenlänge von 2,780 μm sowie die Er:YSGG Laser (Erbiumdoped: Yttrium-Scandium-Gallium-Garnet) einer Wellenlänge von 2,790 μm weisen dagegen eine höhere Absorption in OH--Ionen auf als in Wasser [41]. Die ausgezeichnete Absorption dieser Wellenlängen sowohl im Weich- als auch Hartgewebe führten in den vergangenen Jahren zu einem gesteigerten Interesse an diesen Systemen zur Behandlung marginaler Parodontopathien. Klinische Untersuchungen liegen bisher jedoch nur für den Er:YAG Laser mit einer Wellenlänge von 2,940 μm vor.

Aufgrund seiner oben beschriebenen physikalischen Eigenschaften und der damit verbundenen Absorptionseigenschaften konnte in vielen In-vitro-Untersuchungen gezeigt werden, dass eine effektive Konkremententfernung von parodontal erkrankten Wurzeloberflächen mit dem Er:YAG Laser möglich ist [30, 43 bis 49]. Im Jahre 1994 erbrachten Aoki et al. [43] erstmals den Beweis, dass mit einem gepulsten Er:YAG Laser unter Verwendung einer Wasserkühlung subgingivaler Zahnstein effektiv bei Energiedichten von 10,6 J/cm2 im Kontaktmodus entfernt werden kann. Die Entwicklung einer speziellen meißelförmigen Faserspitze sollte nun auch eine nicht chirurgische Instrumentierung parodontaler Taschen ermöglichen [49] (Abb. 3).

Unter Wasserkühlung konnte hiermit eine effektive Instrumentierung der Wurzeloberfläche bei Energieeinstellungen von 120 und 150 mJ/Puls und 10 bis 15 Hz (15 oder 18,8 J/cm2) ohne thermische Nebenwirkungen im angrenzenden Wurzelzement durchgeführt werden [47]. Das Fehlen von thermischen Nebenwirkungen wie Karbonisationen oder Verschmelzungen nach Er:YAG Laser-Applikation in vitro wurde von vielen Autoren bestätigt [43, 45, 50, 51, 26, 48, 30]. Dies wird zum einen auf die vorhandene Wasserkühlung, aber auch auf den „thermo-mechanischen“ Ablationsvorgang des Er:YAG Lasers zurückgeführt [44]. Obwohl mit dem Er:YAG Laser eine Konkremententfernung unter In-vitro-Bedingungen effektiv durchgeführt werden konnte, war deren Abtrag nicht selektiv. Es traten mehr oder weniger stark ausgeprägte Defekte im Wurzelzement, aber auch Dentin auf, welche in direkter Abhängigkeit zur gewählten Energiedichte standen [30, 43 bis 45, 48, 50].

Um eine mögliche Beeinflussung des Laserstrahls durch die natürliche Umgebung des Zahnes, das eigentliche Parodontium, sowie die Blutung, die bei der Instrumentierung akut entzündeter parodontaler Taschen auftritt zu berücksichtigen, wurden die Effekte der Laserstrahlung auf die Wurzeloberfläche unter In-vivo-Bedingungen untersucht. Die in diesen Studien behandelten Zähne waren zur weiteren Auswertung extrahiert worden [52, 53, 48]. Hierbei konnte ein selektiver Konkrementabtrag nach Er:YAG Laser-Instrumentierung der Wurzeloberfläche in vivo sowohl rasterelektronenmikroskopisch als auch histologisch beobachtet werden.

Im direkten Vergleich zu den Handinstrumenten war die Effektivität des Er:YAG Lasers bei der Konkremententfernung jedoch reduziert. Die histomorphometrische Bewertung der Wurzeloberflächen zeigte hingegen, dass die Handinstrumente eine ausgeprägte Entfernung von Wurzelzement verursacht hatten, was zu einer Dentin-Exposition von 73,2 Prozent der Wurzeldentinfläche führte [52]. Im Gegensatz hierzu war nach Lasertherapie nur eine minimale Reduktion der Wurzelzementschicht zu beobachten (Abb. 4a bis c) [52, 53].

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das Ablationsverhalten des Er:YAG Lasers unter klinischen Bedingungen signifikant von der In-vitro-Situation zu unterscheiden scheint. Insbesondere die während der Instrumentierung akut entzündeter parodontaler Taschen auftretende Blutung könnte eine Absorption übermäßiger Laserenergie bewirken und somit als Erklärung für diese Effekte dienen.

Die Ergebnisse experimenteller In-vitro-Untersuchungen konnten weiterhin zeigen, dass die Biokompatibilität der Wurzeloberfläche in der Zellkultur nach Bestrahlung mit einem Er:YAG Laser im Vergleich zu Handinstrumenten verbessert war [54 bis 57]. Als mögliche Erklärung hierfür könnte die Ausbildung eines so genannten Smear Layers nach mechanischer Entfernung subgingivaler Konkremente unter Verwendung von sowohl Handinstrumenten als auch Ultraschallsystemen herangezogen werden, der einen nachteiligen Effekt auf die parodontale Heilung durch eine Inhibition der Zellanlagerung und Zellmigration zu haben scheint [58, 59]. Durch eine adjuvante Konditionierung der Wurzeloberfläche mit Säuren (Phosphorsäure, Zitronensäure) oder Komplexbildnern (EDTA – Ethylendiamintetraessigsäure) konnte der Smear Layer jedoch effektiv entfernt und die Biokompatibilität der Wurzeloberfläche verbessert werden [60, 59]. Nach Einsatz eines Er:YAG Lasers wurde dagegen die Ausbildung eines Smear Layers nicht beobachtet [61, 62].

Ando et al. [63] untersuchten erstmals den bakteriziden Effekt des Er:YAG Lasers auf parodontopathogene Keime. Bakteriensuspensionen von Porphyromonas gingivalis und Actinobacillus actinomycetemcomitans wurden mit Energiedichten von 0,04 bis 10,6 J/cm2 bestrahlt. Ab 0,3 J/cm2 konnte bereits eine Hemmung des Bakterienwachstums nachgewiesen werden. Ähnliche Effekte wurden auch von anderen Arbeitsgruppen beschrieben [64, 65]. Folwaczny et al. [66] konnten weiterhin zeigen, dass bei Energieeinstellungen von 60 mJ/Puls und 15 Hz (10 J/cm2) zwar eine signifikante, jedoch nicht vollständige Bakterienreduktion auf der Wurzeloberfläche in vitro möglich war. Zusätzlich zeigen Untersuchungen von Yamaguchi et al. [67] und Sugi et al. [68] dass es darüber hinaus auch zu einer Reduktion von Lipopolysacchariden (LPS) und Endotoxinen in den behandelten Wurzeloberflächen kommt. Die Konzentration residualer Endotoxine waren nach Bestrahlung mit einem Er:YAG Laser (30 mJ/Puls und 10 Hz; 16,1 J/cm2) signifikant geringer als nach handinstrumenteller Bearbeitung [68]. Yamaguchi et al. [67] konnten weiterhin zeigen, dass das Absorptionsspektrum bakterieller Lipopolysaccharide ein Maximum bei 2,940 μm, also der spezifischen Wellenlänge des Er:YAG Lasers, besitzt. In ersten klinischen Untersuchungen konnte das bakterizide Potenzial des Er:YAG Laser nach nicht chirurgischer Parodontaltherapie bestätigt werden [52, 69 bis 72]. Im Vergleich zu konventionellem Scaling und Wurzelglätten konnte jedoch kein statistisch signifikanter Unterschied beobachtet werden. In diesem Zusammenhang muss die Tatsache berücksichtigt werden, dass es sich beim Zahnhalteapparat um ein offenes System handelt, welches für eine bakterielle Rekolonisation sehr empfänglich ist [73, 74].

Erste klinische Fallberichte wurden von Watanabe et al. [75] veröffentlicht. Sie untersuchten den Einsatz des Er:YAG Lasers im Rahmen der Weichgewebschirurgie und des subgingivalen Scalings. Hierfür wurden 38 Patienten mit fortgeschrittener marginaler Parodontitis bei einer Energiestufe von 32 mJ und 10 Hz behandelt (11,3 J/cm2). Bestimmt wurden die Rötung und Schwellung der Gingiva sowie die sondierbaren Taschentiefen am Tage Null, nach ein, zwei und vier Wochen postoperativ. Die initiale Rötung und Schwellung der Gingiva nahm bei allen Probanden ab. Die Sondierungstiefen reduzierten sich von initial 5,6 ± 2,0 mm auf 2,6 ± 0,9 mm nach vier Wochen. Schwarz et al. [76] behandelten 15 Patienten mit fortgeschrittener marginaler Parodontitis nach einer vierwöchigen Hygienephase mit einem Er:YAG Laser (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2). Bei keinem der Teilnehmer traten postoperative Komplikationen wie Wundheilungsstörungen, Wundinfektionen oder Abszessbildungen auf. Die Veränderungen der klinischen Parameter nach sechs Monaten waren statistisch hoch signifikant im Vergleich zu den Ausgangswerten. Erste klinische Vergleiche mit konventionellem Scaling und Wurzelglätten zeigten unterschiedliche Ergebnisse. In einer Untersuchung von Jepsen et al. [77] wurde bei zehn Patienten nach drei Monaten ein mittlerer Attachmentgewinn von 0,3 ± 0,2 mm in der Lasergruppe und 0,4 ± 0,3 mm in der Kontrollgruppe beobachtet (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2). Die Unterschiede waren statistisch nicht signifikant. Schwarz et al. [72] untersuchten den klinischen Einsatz des Er:YAG Lasers (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2) im Vergleich zu Handinstrumenten bei 20 Patienten mit fortgeschrittener marginaler Parodontitis über einen Zeitraum von sechs Monaten. Die Reduktion der Blutungswerte auf Sondierung, der mittleren Sondierungstiefen und des klinischen Attachmentniveaus war in der Laser Gruppe nach sechs Monaten statistisch signifikant höher als in der konventionell behandelten Gruppe. Die Auswertung einer prä- und postoperativ durchgeführten Patientenbefragung ergab, dass die Behandlung mit dem Er:YAG Laser von den Patienten als deutlich angenehmer empfunden wurde. Die Ergebnisse einer kürzlich veröffentlichen Studie konnten weiterhin zeigen, dass die klinischen Parameter in beiden Behandlungsgruppen über einer Zeitraum von 24 Monaten erhalten werden können [71]. Eine zusätzliche handinstrumentelle Bearbeitung der Wurzeloberfläche nach Er:YAG Laser (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2) Bestrahlung führte zu keiner zusätzlichen Verbesserung der klinischen Parameter [70]. Erste klinische Daten konnten darüber hinaus zeigen, dass der klinische Attachmentgewinn nach nicht chirurgischer Parodontaltherapie mit einem Er:YAG Laser (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2) dem nach Ultraschall-Scaling vergleichbar ist [78] (Abb. 5).

Bisher existieren lediglich zwei kontrollierte klinische Untersuchungen, die eine Aussage über den Einsatz des Er:YAG Lasers bei der chirurgischen- beziehungsweise regenerativen Parodontaltherapie zulassen. Sculean et al. [79] untersuchten im Rahmen der chirurgischen Parodontaltherapie eine Reinigung der Wurzeloberfläche sowie Entfernung von Granulationsgewebe bei Energieeinstellungen von 160 mJ/Puls und 10 Hz (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2). Im Vergleich zur handinstrumentellen Wurzeloberflächen- und Defektreinigung konnten sechs Monate postoperativ vergleichbare klinische Attachmentgewinne beobachtet werden. Die Unterschiede zwischen beiden Gruppen waren statistisch nicht signifikant [79]. Schwarz et al. [53] kombinierten den Einsatz des Er:YAG Lasers (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2) mit der Applikation eines Schmelz-Matrix-Proteins (EMD) im Rahmen der regenerativen Parodontaltherapie. Die Kontrollgruppe erhielt eine handinstrumentelle Wurzeloberflächen- und Defektreinigung unter Zuhilfenahme von Handinstrumenten, gefolgt von einer Konditionierung der Wurzeloberfläche mit EDTA und Applikation von EMD. Beide Behandlungsmethoden führten sechs Monate nach Therapie zu einer signifikanten Verbesserung aller klinischen Parameter. Die Unterschiede zwischen beiden Gruppen waren statistisch jedoch nicht signifikant [53]. In einer ersten humanhistologischen Untersuchung konnte weiterhin festgestellt werden, dass die Heilung intraossärer parodontaler Defekte sechs Monate nach chirurgischer Therapie unter Zuhilfenahme eines Er:YAG Lasers (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2) überwiegend durch die Ausbildung eines langen Saumepithels charakterisiert war [80]. Es konnte nur stellenweise eine Zementneubildung entlang der instrumentierten Wurzeloberfläche beobachtet werden.

In neuesten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass mithilfe eines speziellen Diodenlasers der Wellenlänge von 655 nm eine Detektion subgingivaler Konkremente sowie eine Unterscheidung vom Wurzelzement möglich ist [81 bis 83]. Weiterhin soll dieser Mechanismus zur Lokalisation von Wurzelkaries geeignet sein [83]. Bisher vermutet man, dass dieses Prinzip auf einer Autofluoreszenz bakterieller Stoffwechselprodukte (wie Porphyrine aus Porphyromonas sp.), welche durch die Anregung mit einer Wellenlänge von 655 nm hervorgerufen werden kann, beruht. Die Ergebnisse erster In-vitro-Untersuchungen zeigten, dass die Lokalisation subgingivaler Konkremente mit diesem System im Vergleich zu einer konventionellen Parodontalsonde signifikant verbessert werden konnte [84]. Kürzlich wurde dieser Mechanismus in ein Er:YAG Lasersystem integriert. Somit soll neben einer Detektion subgingivaler Konkremente bei der nicht chirurgischen Parodontaltherapie auch die Bestrahlung und somit mögliche Schädigungen konkrementfreier Wurzeloberflächenareale verhindert werden, da die Aktivierung des Therapielasers an ein positives Fluoreszenzsignal gekoppelt wurde. Erste klinische Untersuchungen zeigten jedoch widersprüchliche Ergebnisse. Schwarz et al. [30] beobachteten, dass trotz Anwendung dieses System unter In-vivo-Bedingungen noch etwa 24 Prozent residuale Konkremente auf der Wurzeloberfläche vorhanden waren. Nach konventioneller Handinstrumentierung waren ebenfalls noch etwa 22 Prozent residuale Konkremente erkennbar [30]. Der Endpunkt der Behandlung wurde in beiden Behandlungsgruppen jedoch durch eine Detektion subgingivaler Konkremente mittels einer Parodontalsonde bestimmt. In einer kontrollierten klinischen Studie führte dieses System in Kombination mit einem Er:YAG Laser nach nicht chirurgischer Parodontaltherapie zu einem vergleichbaren Attachmentgewinn wie Ultraschall-Scaling (120 mJ/Puls, 10 Hz; 14,5 J/cm2) [78]. Die Attachmentgewinne befanden sich in der Größenordnung bisheriger Daten, welche nach nicht chirurgischer Er:YAG Lasertherapie ohne Zuhilfenahme dieses Systems gemessen wurden [70 bis 72, 76].

In einer Vielzahl experimenteller In-vitro- als auch Tierstudien konnte mit dem Er:YAG Laser eine effektive Abtragung von Weich- und Hartgewebe, bakterieller Biofilme, Lipopolysaccharide sowie Konkrementen bei nur minimalen thermischen Nebenwirkungen auf das angrenzende Gewebe durchgeführt, sowie bakterizide Effekte gegenüber parodontopathogenen Keimen nachgewiesen werden. Diese Eigenschaften sprechen dem Er:YAG Laser ein großes Potenzial bei der Therapie parodontaler Infektionen zu.

Eine Übertragung dieser positiven Ergebnisse auf die klinische Situation zeigte jedoch, dass die Resultate nach nicht chirurgischer oder chirurgischer Parodontaltherapie unter Zuhilfenahme eines Er:YAG Lasers mit denen nach handinstrumenteller oder ultraschallgestützter Therapie vergleichbar waren. Weiterhin existieren bisher keine klinischen Untersuchungen, die den Einsatz des Er:YAG Lasers mit einer adjuvanten lokalen oder systemischen Antibiotikagabe verglichen haben. Diese Fragestellung wäre insbesondere bei der Behandlung aggressiver Parodontopathien von großem Interesse. Die Interpretation der bisherigen Ergebnisse lässt jedoch auch die Schlussfolgerung zu, dass der Er:YAG Laser als alternative Therapieform bei der Behandlung marginaler Parodontopathien eingesetzt werden könnte. Insbesondere im Rahmen der unterstützenden Parodontaltherapie könnte der Er:YAG Laser auf Grund seiner Zahnhartsubstanz schonenden Arbeitsweise gegenüber der konventionellen Handinstrumentierung einen Vorteil für den Patienten bieten. Durch eine Optimierung der fluoreszenzgestützten Detektion von Konkrementen wäre es vielleicht zukünftig möglich, den Behandlungserfolg nach nicht chirurgischer Parodontaltherapie zu verbessern. Dieser Ansatz muss jedoch durch weitere klinische Untersuchungen mit einem größeren Patientenkollektiv untersucht werden.

Prof. Dr. Dr. Anton Sculean, M.S.Radboud University Nijmegen Medical CenterDepartment of PeriodontologyP.O. Box 0101Internal postal code 1176500 HB NijmegenPhilip van Leydenlaan 25The Netherlandsa.sculean@dent.umcn.nl