Eine Alternative zum Bohrer

Die Zahnheilkunde nimmt seit jeher Innovationen aus der Industrie auf und integriert sie maßgeschneidert in ihre Therapiekonzepte. Dazu zählten in den 1920er- und 1930er-Jahren neue Erkenntnisse aus der aufstrebenden Luftfahrt über das Härten von Legierungen, die zur Ablösung der Goldschmiedekunst durch das praktische Gießverfahren führten. Zur Jahrtausendwende hielt mit Zirkonoxid ein aus der Raumfahrt und dem Automobilbau stammender Werkstoff als Restaurationsmaterial Einzug in die Prothetik. Ein Gebiet der Spitzenforschung unserer Zeit stellt die Lasertechnologie dar.

1964 wollte der berühmte Goldfinger alias Gert Fröbe seinen Widersacher James Bond (Sean Connery) mit einem roten Laserstrahl in der Körpermitte zerteilen. Heute könnten Laser dem Patienten in der Zahnheilkunde „ein großes Stück Angst“ nehmen, indem sie eine schmerzfreie, sicherere und weniger invasive Behandlung erlauben. Therapie und Diagnose rücken dabei noch enger zusammen, weil sie teilweise mit ein und demselben Laser durchgeführt werden können („Theragnostik“).

Ein Laser erzeugt elektromagnetische Wellen. Liegen diese im sichtbaren Bereich, nehmen wir sie als farbiges Licht wahr (Wellenlänge etwa 380 bis 780 Nanometer). Charakteristisch sind die hohe Intensität, die scharfe Bündelung des Strahls und der enge Frequenz- beziehungsweise Wellenlängenbereich. Um dies für den sichtbaren Bereich zu formulieren: Es wird sehr genau eine einzige Farbe getroffen (zum Beispiel rot) und nicht etwa ein breiteres Band (zum Beispiel gelbrot bis rotviolett) – auch wenn im zweiten Fall der Farbeindruck beim Beobachter ebenfalls „rot“ sein wird, da er sich automatisch aus dem Spektrum unterschiedlicher Farben einen Mittelwert „errechnet“.

Laser stehen jenseits des sichtbaren Lichts sowohl für größere Wellenlängen (Infrarot, Mikrowellen) zur Verfügung als auch für kleinere (Ultraviolett, Röntgen) [1]. Inwieweit sich ein Laser in der Medizin verwenden lässt, hängt von der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit dem menschlichen Gewebe ab.

Die Wechselwirkung Laserstrahlung – Gewebe beruht wesentlich auf der Absorption, was nichts anderes bedeutet, als dass das Gewebe dem eindringenden Laserstrahl Energie entzieht. Jene kann dann Elektronenübergänge induzieren (sichtbares Licht und Ultraviolettbereich), Schwingungszustände von Molekülen verändern (Nahinfrarot) und Wärme erzeugen.

Eine ganze Reihe von Molekülen im menschlichen Gewebe ist in der Lage, Laserenergie zu absorbieren, zum Beispiel Wasser, Porphyrine, Hämoglobin, Melanin, Flavin, Retinol, DNA, RNA und andere Nukleinsäuren sowie reduziertes Nikotinsäureamidadenindinukleotid (NAD). Das Ausmaß hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie etwa von der Reflexion (Strahlen dringen nicht ins Gewebe ein, sondern werden „weggespiegelt“) und von der Streuung (Strahlen nehmen im Gewebeinneren keinen geraden, sondern einen „gezackten“ Weg). Ein Beispiel für die komplexe Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung stellt die Lichtdynamik im natürlichen Zahn dar. Wir nehmen sie als „dentale Ästhetik“ wahr und wissen, dass für die Farbwirkung die Richtung eine Rolle spielt (Anisotropie). Zum Beispiel werden bestimmte Effekte durch Streuung an der Mikrostruktur des Dentins, den zylinderförmigen Tubuli verursacht [2].

Die letztlich entscheidende Frage aber lautet: Was geschieht mit der absorbierten Energie und wie lässt sie sich medizinisch nutzen?

Die sogenannte Biostimulation kann zum Beispiel den Metabolismus und die biochemischen Signalwege beeinflussen. Die Ziele sind auf molekularer Ebene etwa das Enzym Cytochrom-c-Oxidase (COX), photoaktive Porphyrine oder – auf zellulärer Ebene – die Mitochondrien. Darüber können unter anderem die Zellproliferation vermehrt, der Spiegel von Zytokinen, Wachstumsfaktoren oder Entzündungsmediatoren beeinflusst und die Gewebeoxygenierung gesteigert werden. Die Einsatzgebiete erstrecken sich auf das Heilen chronischer Wunden, auf Verbesserungen bei der Behandlung von Verletzungen und des Karpaltunnelsyndroms sowie allgemein auf die Schmerzminderung.

Auch in der Zahnmedizin gibt es Ansätze, diese Therapieoption zu nutzen, unter anderem in Form der sogenannten Low-Level-Laser-Technologie (LLLT) mit niedriger Leistungsdichte (10 bis 50 mW; 500 bis 900 nm). Die LLLT-Applikation vermag offenbar die Retentionszeit und die Relapse-Rate nach Gaumennahterweiterung signifikant zu verkürzen [Arbeitsgruppe um Heinrich Wehrbein, Mainz]. Geeignet sind der He-Ne-Laser (unter anderem 633 nm) oder der Diodenlaser (Nahinfrarot-Bereich). Letzterer wird auch zur Kariesdiagnostik unter Verwendung von Laserfluoreszenz (655 nm), zum beschleunigten Bleaching („photokatalytisches Bleichen“), zur Gewebedesinfektion in Endodontie und Parodontologie, zur Weichgewebschirurgie (810 bis 980 nm) und zur antiinfektiösen photodynamischen Therapie (aPDT) eingesetzt (635 und 660 nm) [3].

Ein entscheidender Aspekt: Bei den betreffenden Wellenlängen gelangt die Laserstrahlung durch Gewebekomponenten wie Melanin, Wasser und Hämoglobin hindurch und erreicht auf diese Weise tiefer gelegene Bereiche – das heißt, die desinfizierende Wirkung kann sich auch in ausgedehnten Parodontaltaschen und bis in die Wurzelkanäle hinein entfalten. Bei Diodenlaser und Nd:YAG-Laser dringt sie sogar noch weiter vor als konventionelle Maßnahmen, denn während eine Spülung (etwa mit Natriumhypochlorit) nur im Wurzelkanal selbst desinfiziert, schafft er es noch einen Millimeter weiter bis ins benachbarte Dentin, inklusive Dentilkanälchen.

Die beeindruckendsten Potenziale der photodynamischen Therapie (PDT) liegen in der oralen Tumorbehandlung. Das Prinzip: Bestimmte Porphyrinfarbstoffe („Sensibilisatoren“) werden in den Blutkreislauf des Patienten eingebracht und konzentrieren sich im Tumorgewebe. Dort wirken sie unter Bestrahlung mit einem roten Laser (630 nm bis 635 nm) als Zellgift. Genauer: Die Sensibilisatoren absorbieren die (Laser-)Photonen und werden durch sie angeregt, wechseln dann noch von einem kurz- in einen langlebigen Triplett-Zustand und geben ihre Energie schließlich an Sauerstoff ab (phototoxische Reaktion), der dadurch in einen angeregten Zustand (Singulett-Sauerstoff oder Sauerstoffradikal) gelangt und das Tumorgewebe zerstört.

Mit diesem Verfahren hat man schon orale Tumoren geheilt, ohne eine klassische Exzision vornehmen zu müssen. Eine weiterentwickelte Form stellt die „targeted PDT“ dar. Indem er an Antikörper gebunden wird, liegt der Farbstoff in noch konzentrierterer Form vor. Weitere Fortschritte könnten neue Wellenlängen bringen. Dabei ist insbesondere der Nahinfrarotbereich im Blickpunkt. Da die Sensibilisatoren in aller Regel fluoreszieren, werden sie ebenso in der Diagnose verwendet, zum Beispiel zur Visualisierung von Blasentumoren in einem frühen Stadium.

In der Zahnmedizin kann in einer Sitzung mit ein- und demselben Sensibilisator zuerst die Diagnostik erfolgen und unmittelbar danach die PDT.

Oft wird die Laserenergie im menschlichen Gewebe in Wärme umgesetzt, insbesondere bei der Absorption durch DNA/RNA, Chromophore, Proteine, Enzyme und Wasser. Werden Temperaturen zwischen 42 °C und 45 °C erreicht, spricht man von Überwärmung. Kollagen beginnt hier zu schrumpfen. Ab 50 °C vermindert sich die Aktivität von Enzymen, ab 60 °C denaturieren Proteine, koagulieren Kollagene und Zellmembranen werden durchlässig. Ab 100 °C trocknet das Gewebe aus, es bilden sich Vakuolen. Bei höheren Temperaturen verdunstet das Wasser und das Gewebe beginnt zu karbonisieren. Im Bereich von 300 °C bis 1000 °C schließlich kommt es zur Thermoablation von Gewebe, begleitet von Photoablation und Disruption.

Um den gewünschten Effekt zu erhalten, muss der verwendete Laser die Ideal-Wellenlänge des Zielgewebes treffen, diejenige, bei der eine maximale oder zumindest möglichst große Wechselwirkung stattfindet. Möchte man zum Beispiel wasserhaltiges Gewebe aufheizen, eignet sich ein Er:YAG-Laser: Mit einer Wellenlänge von 2.940 Nanometern trifft er ziemlich genau bestimmte Eigenschwingungen des Wassermoleküls – vorstellbar als Gebilde aus drei Kugeln (ein Sauerstoff, zwei Wasserstoffe), die durch Federn miteinander verbunden sind und in definierter Weise schwingen. Das Wassermolekül kann so Licht mit einer Wellenlänge von 2.940 Nanometern besonders gut absorbieren (seine Energie aufnehmen und in Wärme umsetzen) – damit verbunden ist auch eine geringe Eindringtiefe von nur 0,83 Mikrometern (Millionstelmillimeter) [4]. Letztlich lassen sich auf diese Weise Gewebestrukturen unter Erhitzen/Verdampfen von Wasser zerstören und dabei punktförmig oder großflächig Schichten bei einer Schädigung des benachbarten Gewebes abtragen.

Somit eröffnet der Er:YAG-Laser neben dem Er,Cr:YSGG-Laser relativ viele Anwendungsmöglichkeiten – von der eingeschränkten Kariestherapie (Kariesentfernung, Abtöten von Bakterien, Präparation, Schmelzkonditionierung) über die Endodontie (Keimzahlreduzierung im Wurzelkanal) und die Parodontologie (Konkremententfernung, Abtöten pathogener Keime, Entfernung entzündlichen Gewebes) bis hin zur Oralchirurgie. Mit den beiden genannten Lasertypen gelingen ein gezielter Knochenabtrag, die Blutstillung durch Koagulation kleiner Gefäße, die Implantatfreilegung, die Gingivoplastik und feinste Schnitte, die Nähte teilweise überflüssig machen. Für die letztgenannte Indikation eignet sich alternativ der CO₂-Laser als „Laser-Skalpell“. Der Er,Cr:YSGG-Laser wird neuerdings auch zur Entfernung nicht erhaltungswürdiger Implantate vorgeschlagen („Trepanbohrer-Alternative“) [Arbeitsgruppe um René Franzen, Aachen].

Der IDS-Besucher wird in den Kölner Messehallen eine Reihe an Innovationen finden: Für die Endodontie hält die Lasertechnologie unter anderem das photoninduzierte, photoakustische Streaming zur Unterstützung der Wurzelkanalspülung bereit. Ein Er:YAG-Laser gibt Impulse von 50 Mikrosekunden ab und löst damit Kavitationseffekte aus: Die Spülflüssigkeit verdampft und lässt eine große Gasblase an der Glasfaserspitze des Instruments entstehen, die schließlich kollabiert und eine Schockwelle erzeugt, die dann in einer Kettenreaktion weitere vibrierende Kavitationsblasen auslöst. Ergebnis dieses „akustischen Streamings“: ein reinigender und debrisabtragender Effekt.

Im Bereich der Weichgewebschirurgie wiederum bringen blaue Laser spezifische Vorteile, weil ihre Wellenlängen von pigmentierten Zellen besonders gut absorbiert werden, aber nicht tief eindringen. Das ermöglicht kontaktlose, schonende Schnitte mit hoher Präzision und in großer Geschwindigkeit. Seine bakteriziden Eigenschaften prädestinieren den blauen Laser wiederum für die Wurzelkanaldesinfektion [Arbeitsgruppe um René Franzen, Aachen].

Zu den herausragenden Neuerungen der jüngsten Zeit zählen Systeme mit ultrakurzen Pulsen – ein Trend, der zur IDS 2017 fortgeschrieben wird. In der Automobilindustrie sind Ultrakurzpulslaser unentbehrlich, zum Beispiel bei der Energieoptimierung durch hochfeine Einspritzdüsen in Motoren. Klinisch wird mit diesen Piko- beziehungsweise Femtosekundenlasern mit bis zu 500.000 Pulsen pro Sekunde eine sowohl besonders effiziente als auch schonende Therapie erreicht, denn sie sorgen für hohe Spitzenintensitäten bei geringster Wärmeübertragung. Auch lässt sich die Haftkraft von Bondingsystemen durch Bestrahlung von Dentin und Schmelz mit Ultrakurzpulslasern erhöhen. Ultrakurzpulslaser weisen eine Pulsdauer von weniger als 10 Pikosekunden (Billionstelsekunden) auf, die applizierten Energien liegen unter 100 Mikrojoule. Physikalisch gesehen kommt man hier in den Bereich der nicht-linearen Optik (NLO).

In der linearen Optik hängen die Reflexions-, Brechungs-, Absorptions- und Lichtausbreitungseigenschaften des Gewebes nur von ihm selbst und von der Laserfrequenz ab. In der NLO sind sie eine Funktion der Intensität („Bestrahlungsstärke“). Und diese lässt sich vom (non-invasiven) diagnostischen in den (minimalinvasiven) Ablations-Bereich steigern [5].

Anwendungen finden sich unter anderem in der Ophthalmologie (etwa beim Präparieren von Augenhornhaut-Lamellen mit dem 100-Femtosekunden-Ti:Saphir-Laser). Im Vergleich zu klassischen Lasern verringern sich die Interaktionszeit zwischen Laser und Gewebe und die dabei aufgebrachte Energiemenge erheblich. Das bedeutet für die klinische Praxis: Wärme- und Schockwellen sowie Schwingungen sind auf einen sehr engen Raum begrenzt und dringen zum Beispiel bei der Präparation eines Zahnes mit einem Ultrakurzpulslaser nicht zur Pulpa durch. Insofern kann es beim Patienten auch zu keinen Schmerzempfindungen kommen. Ein großes Stück Zahnarztangst wird ihm damit genommen [6] – frei nach James Bond: „gelasert, nicht gebohrt“.

Dabei ist der Abtrag der Zahnhartsubstanz ähnlich effektiv wie bei der Turbine. Der moderne Ultrakurzpulslaser löst den Excimer-Laser (Gaslaser im Ultraviolett-Bereich) ab und bietet endlich auch aus praktischer Sicht eine Alternative zum Bohrer. Die Ablationsraten beider Systeme liegen im Bereich von 50 bis 60 Kubikmillimetern pro Minute.

Das Arbeiten im zahnärztlichen Team könnte sich durch den Ultrakurzpulslaser vereinfachen und dabei effektiver gestalten. Denn dank hoher Ablationsraten und der Autofokus-Feedbacksysteme kann die Assistenz sich im Wesentlichen auf Arbeitsschutz, Hygiene und Absaugen konzentrieren. Je nach Patientenfall kann dann mit etwas weniger Personal gearbeitet werden.

Die Lasertechnologie wird in vielen Bereichen der Medizin vorangetrieben. Beispielsweise forscht das Institut für Lasertechnologien der Universität Ulm an einem neuartigen Operationssystem auf Basis eines diodengepumpten Er:YAG-Lasers für die atraumatische Augen-OP des Grauen Stars, wobei – so die Projektbeschreibung – „sowohl steinharte menschliche Linsen als auch im Auge befindliches Weichgewebe“ hochpräzise entfernt werden sollen. Eine solche Aufgabenstellung ließe sich für orale Gewebe ganz ähnlich formulieren.

Wenn solche Formen der Mikro- oder gar Nano-Laserchirurgie mit robotergestützten 3-D-Operationsverfahren durchgeführt werden, könnte in Zukunft eine ganze Reihe neuer schmerzfreier und erfolgssicherer Behandlungsstrategien daraus erwachsen. Darüber hinaus dürfte die Verbindung von Therapie und Diagnostik („Theragnostik“) noch so manche Überraschung bereithalten.

Schon heute ist es möglich, unter Nutzung der unsichtbaren Infrarot-Strahlung und der sichtbaren frequenzverdoppelten Strahlung ein und desselben Nd:YVO₄-Lasers Informationen über einen Kariesprozess zu erhalten, besonders über den Abbau der organischen Dentinmatrix (Alternative zum Röntgen) und nach Intensitätssteigerung denselben Laser zur Kavitätenpräparation einzusetzen (Alternative zum Bohrer) [5].

Wohin die Reise geht und was aktuell für die eigene Praxis interessant ist, lässt sich schon im März auf der IDS 2017 in Köln erleben.

Dr. Christian Ehrensberger
Dr. Anton Kasenbacher
Dentaljournalisten