Die Therapie Biofilm-assoziierter oraler Erkrankungen mit atmosphärischem kaltem Plasma – die Anwendung des vierten Aggregatzustands in der Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde

Abstract

Physikalisches Plasma ist definiert als ein ionisiertes Gas. Somit stellt es den vierten Aggregatzustand dar. Plasmen können artifiziell erzeugt werden, wobei die physikalischen Eigenschaften von kaltem atmosphärischem Plasma eine therapeutische Anwendung am Menschen ermöglichen. Aus der aktuell verfügbaren Literatur kann eine Dosisabhängigkeit des Eintretens und des Ausmaßes bestimmter Effekte auf Mikroorganismen, Viren, eukaryotische Zellen, mammale Gewebe und Tumorzellen abgeleitet werden. Auf zellulärer Ebene lässt sich das Spektrum potenzieller Wirkungen vereinfacht zusammenfassen als Beeinflussung der Genexpression, Stimulation oder Inhibition von Zellproliferation und -Migration, Alteration von Zelloberflächen, Schädigung von Biomolekülen (insbesondere DNA) und Organellen, Arretierung des Zellzyklus, Apoptose und Zellnekrose mediiert durch Photonen, radikale Sauerstoff- und Stickstoffspezies. Der Grundsatz der Dosisabhängigkeit gilt in Analogie für das Auftreten und das Verhältnis erwünschter und unerwünschter Effekte. Welche Wirkungen wiederum erwünscht oder unerwünscht sind, variiert in Abhängigkeit der jeweiligen Indikation. Hierbei kann die biologische Wirkung weitgehend über die physikalischen Determinanten einer Plasmaquelle gesteuert werden. Basierend auf der aktuell verfügbaren Literatur kann innerhalb der antimikrobiellen Therapie, der Wundbehandlung und der Tumortherapie das Nutzen-Risiko-Verhältnis von kaltem atmosphärischem Plasma in therapeutischen Dosen als positiv bewertet werden. Folglich stellt Plasma einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz dar. Vor dem Hintergrund einer potenziellen Anwendung zur Therapie Biofilm-assoziierter Erkrankungen im oralen Bereich wurde die antimikrobielle Wirkung von kaltem atmosphärischem Plasma allein und in Kombination mit anderen bakteriziden Agenzien an artifiziellen In-vitro-Monospezies- (S. mitis und E. faecalis) und Ex-vivo- Multispezies-Biofilmen auf bzw. in oralen Hartgeweben (humanes kariesfreies und kariöses Wurzeldentin, humane Wurzelkanäle und porciner Alveolarknochen) und dentalen Titanimplantaten untersucht. Ferner war der Einfluss einer adjuvanten Plasmabestrahlung der oralen Mucosa und Prothesen von Patienten mit oraler Candidiasis auf die Remission der infektionsassoziierten Erytheme Gegenstand einer klinischen Pilotstudie. In vitro und ex vivo fanden sich signifikant kleinere Zahlen koloniebildender Einheiten nach Anwendung von: (1) Plasma und Kürettage im Vergleich zur alleinigen Kürettage und der Negativkontrolle auf kariesfreiem Dentin sowie Plasma verglichen mit Chlorhexidin auf kariösem Dentin, (2) Plasma und Chlorhexidin in Relation zu Chlorhexidin allein und der Negativkontrolle in Wurzelkanälen, (3) Plasma im Vergleich zu Chlorhexidin und der Negativkontrolle in Alveolarknochen und (4) Plasma gegenüber der Negativkontrolle auf Implantaten, wobei sich nach Verwendung eines Diodenlasers kein signifikanter Unterschied zur Negativkontrolle fand. In vivo zeigte sich eine signifikant beschleunigte Remission der Erytheme zu allen Untersuchungszeitpunkten ab der zweiten Woche (5). Aus den dargestellten Resultaten kann in Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Untersuchungen für kaltes atmosphärisches Plasma ein Potenzial zur Inaktivierung oraler Mikroorganismen in Biofilmen abgeleitet werden. Unter Einbeziehung weiterer Studien deutet sich ferner an, dass die mikrobiozide Wirkung und die Destruktion bzw. Entfernung von Biofilmen durch eine Kombination von Plasma mit mechanischem Debridement und / oder anderen antimikrobiellen Chemotherapeutika verstärkt werden kann. Einschränkend ist festzustellen, dass in vitro eine Reduktion der Keimzahl um fünf Log-Stufen in Relation zur jeweiligen Negativkontrolle im Sinne einer Desinfektion nicht gefunden wurde. Auch in vivo waren nach Abschluss der Therapie partiell Candida-Spezies nachweisbar. Basierend auf den dargestellten Resultaten könnte kaltes atmosphärisches Plasma einen Beitrag zur Therapie Biofilm-assoziierter Erkrankungen im Kontext mikrobieller Resistenzen leisten, da zwar unterschiedliche Pathogene verschieden suszeptibel sind, jedoch bisher keine Resistenzen beschrieben wurden. Zudem wurden nach klinischer Anwendung keine relevanten unerwünschten Wirkungen beobachtet. Nichtsdestotrotz bedarf es vor dem Hintergrund begrenzter Evidenz weiterer, insbesondere klinischer Studien.

Physical plasma is defined as an ionized gas, and it represents the fourth state of matter. Plasmas can be created artificially, whereby the physical properties of cold atmospheric plasma allow its therapeutic use in humans. From the recent literature, dose-dependent effects on microorganisms, viruses, eukaryotic cells, mammal tissues and tumor cells are known. The spectrum of effects on the cellular level can be summarized as influence on gene expression, stimulation or inhibition of cell proliferation and migration, alteration of the cell surface, damage of biomolecules (especially DNA) and organelles, cell cycle arrest, apoptosis and cell necrosis. These effects are mediated by photons and reactive oxygen and nitrogen species. Overall, the ratio of stimulation to toxicity is dose-dependent, whereby the biologic effects can be regulated via the physical parameters of the plasma source. However, which kinds of effects are desirable depends on the respective medical indication. From recent studies, a positive benefit-risk ratio can be retrieved regarding antimicrobial treatment, wound therapy and tumor treatment, at least within therapeutic doses. Aiming at the therapy of diverse biofilm-associated oral diseases, cold atmospheric plasma offers a promising approach. Accordingly, its microbiocidal efficacy alone as well as in combination with other antimicrobial agents was investigated against artificial in-vitro-mono-species- (S. mitis and E. faecalis) and ex-vivo- multi-species-biofilms on oral hard tissues (carious and caries-free human dentin, human root canals and porcine alveolar bone) and titanium dental implants. Furthermore, the intent of a clinical pilot-study was to assess the influence of an adjuvant plasma irradiation of the oral mucosa and removable prostheses of oral candidiasis patients. In vitro and ex vivo significantly lower counts of colony-forming units were recorded after application of: (I) Plasma plus scaling and root planing compared to scaling and root planing alone and the negative control on caries-free dentin, and plasma compared to chlorhexidine on carious dentin, (II) plasma plus chlorhexidine in relation to chlorhexidine alone and the negative control in root canals, (III) plasma in comparison with chlorhexidine and the negative control in alveolar bone, and (IV) plasma in relation to the negative control on dental implants, whereby no significant difference was found regarding diode laser irradiation and the control group. In vivo plasma administration resulted in a significantly accelerated remission of the erythema, found at all times after two weeks of therapy initiation compared to the control sites (V). From the presented results a potential of cold atmospheric plasma to inactivate microorganisms in biofilms can be retrieved, which is in good accordance with studies from other researchers. Furthermore, it can be carefully concluded that the antimicrobial efficacy can be further potentiated by combining plasma with mechanical debridement and/or other microbiocidal agents. However, in vitro all retrieved logarithmic reduction factors were below five. Hence, complete disinfection was not feasible. Accordingly, in vivo Candida species were still present following therapy. Nevertheless, based on the presented results cold atmospheric plasma is promising in the therapy of biofilm-associated diseases, especially regarding addressing microbial resistance. Even though different pathogens are known to be differently susceptible, no resistance was reported yet. Strikingly, no undesired events were observed in clinical use. Regarding the limited evidence, further clinical trials should be set up despite this.