ITPD960107A1

ITPD960107A1 - ASSOCIATION OF CATIONIC PORPHYRINE AND COHERENT OR NON-COHERENT LIGHT SOURCE FOR THE TREATMENT OF MICROBIAL INFECTIONS OF THE ENDODONTATION AND PERPLANTATION

Info

Publication number: ITPD960107A1
Application number: IT000107A
Authority: IT
Inventors: Giulio Iori; Daniele Tonlorenzi
Original assignee: Giulio Iori; Daniele Tonlorenzi
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1997-10-26
Also published as: IT1288289B1; ITPD960107A3; ITPD960107A0

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE AVENTE PER TITOLO: Associazione di porfìrina cationica e sorgente luminosa coerente o non coerente per il trattamento di infezioni microbiche dell'endodonto e del periimpianto DESCRIPTION OF THE INDUSTRIAL INVENTION WITH THE TITLE: Association of cationic porphyrin and coherent or non-coherent light source for the treatment of microbial infections of the endodontium and periimplant

E' sviluppata una metodica basata suul'impiego di una sorgente luminosa (coerente e non coerente) con emissione nella regione visibile dello spettro elettromagnetico e di un fotosensibilizzatore avente la struttura di una porfìrina tetracationica per la fotoinattivazione di batteri Gram-positivi e Gram-negativi, lieviti e micoplasmi. La luce visibile promuove la porfìrina ad una forma iperattiva che trasferendo energia all'ossigeno, lo trasforma in una specie ad alta tossicità nei confronti di cellule microbiche. La tecnica fototerapeutica proposta è caratterizzata da basso costo, semplicità, elevata manegevolezza, mancanza di mutagenicità ed alta selettività di azione. Tutto ciò viene usato per il trattamento delle infezioni microbiche dell'endodonto, per la riduzione della carica batterica della flora orale nella fase chirurgica del posizionamento impiantare e nella sterilizzazione dell'alveolo chirurgico. La metodica si può inoltre applicare nella periimplantite fino a gradi di compromissione anche molto elevati. A method has been developed based on the use of a light source (coherent and non-coherent) with emission in the visible region of the electromagnetic spectrum and of a photosensitizer having the structure of a tetracationic porphyrin for the photoinactivation of Gram-positive and Gram-negative bacteria. , yeasts and mycoplasma. Visible light promotes porphyrin to an overactive form which, by transferring energy to oxygen, transforms it into a highly toxic species towards microbial cells. The proposed phototherapeutic technique is characterized by low cost, simplicity, high manageability, lack of mutagenicity and high selectivity of action. All this is used for the treatment of microbial infections of the endodontium, for the reduction of the bacterial load of the oral flora in the surgical phase of implant placement and in the sterilization of the surgical alveolus. The method can also be applied in peri-implantitis up to even very high degrees of compromise.

OBIETTIVI DELL’INVENZIONE OBJECTIVES OF THE INVENTION

Applicazione di tecniche fototerapeutiche (sorgente luminosa agente fotosensibilizzante) per il conseguimento dei seguenti obiettivi: Application of phototherapeutic techniques (light source photosensitizing agent) to achieve the following objectives:

1) sterilizzazione del canale endodontico in presenza di infezioni di origine microbica; 1) sterilization of the endodontic canal in the presence of infections of microbial origin;

2) Trattamento della periimplantite al fine di inattivare la popolazione microbica presente sulle spire implantari e nelle irregolarità degli impianti a forma cilindrica. 2) Treatment of peri-implantitis in order to inactivate the microbial population present on the implant threads and in the irregularities of the cylindrical-shaped implants.

STATO ATTUALE DELLA TECNICA CURRENT STATE OF THE TECHNIQUE

Le patologie endodontiche sono attualmente trattate perlopiù mediante ipoclorito di sodio (NaClO) associato all’acqua ossigenata (H2O2). Endodontic diseases are currently treated mostly with sodium hypochlorite (NaClO) associated with hydrogen peroxide (H2O2).

La combinazione NaC10/H202 svolge una funzione lubrificante per gli strumenti canalari, mentre l’azione antimicrobica si basa su un danno ossidativo che coinvolge diverse organelle subcellulari; la sensibilità al trattamento varia, in generale, in funzione della organizzazione cellulare della specie microbica: ad esempio, mentre l’azione ossidante è molto efficace su batteri Gram - positivi, l’effetto diventa più limitato nel caso di batteri Gram negativi, ove le parti più interne della cellula, ed in particolare la membrana piasmatica, sono protette da una parete esterna a composizione prevalentemente lipopolisaccaridica e quindi meno aggredirle da agenti ossidanti. In effetti, soprattutto in presenza di patologie periapicali, è necessario integrare il trattamento sterilizzante con l’uso di idrossido di calcio Ca (OH)2 che, alcalinizzando il microintomo dell’area da sterilizzare, completa la inattivazione microbica e causa la distruzione delle spore, e pine sono spesso solo parzialmente danneggiate dal trattamento con NaClO. Questo ulteriore trattamento comporta la necessità di differire Γ otturazione canalare ad una seconda seduta da effettuare a distanze di alcune settimane. E’ anche da rilevare che, in caso di incidentale fuoriuscita del Ca(OH)2 dall’apice radicolare si induce l’insorgenza di dolori violenti con danno iatrogeno. Per quanto riguarda la periimplantite, non esistono attualmente trattamenti antimicrobici soddisfacenti con carattere risolutivo. Il trattamento in corso per danni lievi prevede un’asportazione della placca subgengivale attraverso l’utilizzazione di curettes in teflon, mentre nei danni più gravi ove esista la presenza di un cratere osseo (sondaggio di parecchi millimetri) ci si limita all’exeresi chirurgica della porzione di osso che delimita la parete del cratere; successivamente si procede all’asportazione delle spire nelle forma a vite I' The NaC10 / H202 combination performs a lubricating function for root canal instruments, while the antimicrobial action is based on oxidative damage that involves various subcellular organelles; the sensitivity to treatment varies, in general, according to the cellular organization of the microbial species: for example, while the oxidizing action is very effective on Gram - positive bacteria, the effect becomes more limited in the case of Gram negative bacteria, where the innermost parts of the cell, and in particular the piasmatic membrane, are protected by an external wall with a predominantly lipopolysaccharide composition and therefore less attack them by oxidizing agents. In fact, especially in the presence of periapical pathologies, it is necessary to integrate the sterilizing treatment with the use of calcium hydroxide Ca (OH) 2 which, by alkalizing the micro symptom of the area to be sterilized, completes the microbial inactivation and causes the destruction of the spores. , and pine are often only partially damaged by NaClO treatment. This further treatment entails the need to defer root canal obturation to a second session to be performed at intervals of a few weeks. It should also be noted that, in the event of an accidental leakage of Ca (OH) 2 from the root apex, the onset of violent pain with iatrogenic damage is induced. As for peri-implantitis, there are currently no satisfactory antimicrobial treatments with a resolutive character. The treatment in progress for minor damage involves the removal of the subgingival plaque through the use of Teflon curettes, while in the most serious damage where there is the presence of a bone crater (probing several millimeters) the surgical excision of the portion of bone that delimits the crater wall; then the coils are removed in the screw form I '

e delle irregolarità nelle forme cilindriche. and irregularities in the cylindrical forms.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION

Le tecniche fototerapeutiche basate sull’azione combinata di luce visibile ed agente fotosensibilizzante stanno incontrando una crescente attenzione nel campo medico. In effetti, i due componenti della metodologia (luce e fotosensibilizzatore) sono intrinsecamente innocui nei confronti di cellule tessuti, ed un’azione citotossica viene promossa solo dalla fotoattivazione del fotosensibilizzatore; conseguentemente, si realizzano effetti caratterizzati da elevata selettività in quanto solo l’area contenente il fotosensibilizzatore e contemporaneamente illuminata da luce di opportuna lunghezza d’onda subisce l’azione di danno biologico. Inoltre, grazie alle proprietà della luce visibile di penetrare a diverse profondità nel tessuto a seconda della lunghezza d’onda utilizzata, è facilmente possibile modulare la estensione del volume tessutale fotodanneggiato. Inoltre, l’efficacia del fototrattamento é legata a: Phototherapeutic techniques based on the combined action of visible light and photosensitizing agent are attracting increasing attention in the medical field. In fact, the two components of the methodology (light and photosensitizer) are inherently harmless towards tissue cells, and a cytotoxic action is promoted only by the photoactivation of the photosensitizer; consequently, effects characterized by high selectivity are achieved as only the area containing the photosensitizer and simultaneously illuminated by light of a suitable wavelength undergoes the action of biological damage. Furthermore, thanks to the properties of visible light to penetrate at different depths into the tissue depending on the wavelength used, it is easily possible to modulate the extent of the photodamaged tissue volume. Furthermore, the effectiveness of the phototreatment is linked to:

1) la affinità del fotosensibilizzatore per la determinata cellula; 1) the affinity of the photosensitizer for the specific cell;

2) la distribuzione del fotosensibilizzatore tra i diversi compartimenti subcellulari; 2) the distribution of the photosensitizer among the different subcellular compartments;

3) il meccanismo dell’azione fotosensibilizzante. 3) the mechanism of photosensitizing action.

Sebbene la maggior parte delle cellule microbiche sia fotosensibile a dosi di luce più fotosensibilizzatore nettamente inferiori a quelle che sono attive nei confronti delle cellule di mammifero, l’applicazione di tecniche fototerapeutiche per il trattamento di infezioni microbiche è stata sinora assai limitata dalla mancanza di foto sensibilizzatori ad azione aspecifica, cioè in grado di fotoinatti vare i diversi tipi di specie microbiche, oppure in grado di evitare T insorgenza di mutazioni post - fototrattamento con conseguente selezione di cloni cellulari fotoresistenti. Tali limitazioni sono attualmente superabili in conseguenza di recenti scoperte di laboratorio, che hanno evidenziato come alcuni fotosensibilizzatori di natura cationica siano in grado di indurre la fotoinattivazione di ogni tipo di specie microbica, compresi i batteri Gram - negativi, i batteri Gram - positivi, i lieviti ed i micoplasmi. Le dosi necessarie per ottenere una sterilizzazione superiore a 7-8 logaritmi sono dell’ordine di 10 μg/ml di soluzione, e quindi inferiori per ordini di grandezza a quelle necessarie per ottenere il fotodanno di cellule di mammifero. Tra questi agenti fotosensibilizzatori, notevole interesse hanno le porfirine, derivati di composti naturali la cui struttura chimica può essere variata attraverso la introduzione di sostituenti periferici rispetto al macrociclo tetrapirrolico. Nei nostri studi, abbiamo dimostrato la possibilità di fotoinattivare le seguenti specie: Although most microbial cells are photosensitive to significantly lower doses of light plus photosensitizer than those that are active against mammalian cells, the application of phototherapeutic techniques for the treatment of microbial infections has so far been very limited by the lack of photos. sensitizers with non-specific action, ie capable of photoinactivating the different types of microbial species, or capable of avoiding the onset of post-phototreatment mutations with consequent selection of photoresist cell clones. These limitations are currently overcome as a result of recent laboratory discoveries, which have shown how some photosensitizers of a cationic nature are able to induce the photoinactivation of any type of microbial species, including Gram - negative bacteria, Gram - positive bacteria, yeasts and mycoplasma. The doses necessary to obtain a sterilization higher than 7-8 logarithms are of the order of 10 μg / ml of solution, and therefore lower by orders of magnitude than those necessary to obtain the photodamage of mammalian cells. Among these photosensitizing agents, porphyrins are of great interest, derivatives of natural compounds whose chemical structure can be varied through the introduction of peripheral substituents with respect to the tetrapirrolic macrocycle. In our studies, we have demonstrated the possibility of photoinactivating the following species:

a) Staphilococcus aureus, streptococcus faecalis (Gram-positivi); a) Staphilococcus aureus, streptococcus faecalis (Gram-positive);

b) Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, vibrio anguillarum (Gramnegativi); b) Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, vibrio anguillarum (Gramnegatives);

c) Candida utilis (lievito); c) Candida utilis (yeast);

d) Mycoplasma homini (micoplasma); d) Mycoplasma homini (mycoplasma);

utilizzando porfirine tetracationiche sostituite nelle quattro posizioni meso con: a) Ν,Ν,Ν-trimetil-anilina using tetracationic porphyrins substituted in the four meso positions with: a) Ν, Ν, Ν-trimethyl-aniline

b) N-metil-piridina. b) N-methyl-pyridine.

Appare evidente, pertanto, la generalità dell’ azione fotosterilizzante esercitata da questa categoria di fotosensibilizzatori. Inoltre, le porfirine cationiche si legano sulla parte esterna della membrana citoplasmatica, ove sono presenti cariche negative. Therefore, the generality of the photosterilizing action exerted by this category of photosensitizers is evident. Furthermore, cationic porphyrins bind to the outer part of the cytoplasmic membrane, where negative charges are present.

Tale circostanza garantisce: This circumstance guarantees:

a) la facile rimozione del fotosensibilizzatore mediante lavaggio con soluzione fisiologica; a) easy removal of the photosensitizer by washing with physiological solution;

b) la focalizzazione del danno fotoindotto a livello dei componenti della membrana senza coinvolgimento del materiale genetico; tale circostanza minimizza il rischio di mutagenicità e quindi l’insorgenza del fenomeno di fotoresistenza. b) the focusing of the photo-induced damage at the level of the membrane components without involvement of the genetic material; this circumstance minimizes the risk of mutagenicity and therefore the onset of the photoresistance phenomenon.

Le porfirine agiscono secondo il seguente schema: Porphyrins act according to the following scheme:

(assorbimento di luce e fotoattivazione) (light absorption and photoactivation)

(trasferimento di energia all’ossigeno e sua fotoattivazione) (energy transfer to oxygen and its photoactivation)

*02 membrana — > danno ossidativo. * 02 membrane -> oxidative damage.

La specie attivata dall’ossigeno coinvolta nel fotoprocesso è il cosiddetto “ ossigeno di singoletto” 1 02 che è altamente reattivo e qtdndi caratterizzato da un tempo di vita assai breve (dell’ordine del microsecondo); conseguentemente, solo i substrati, es. proteine e lipidi insaturi, localizzati nel microintomo della porfirina sono in grado di indurre un danno ossidativo. E’ da escludere un’azione a distanza del fotosensibilizzatore. The oxygen-activated species involved in the photoprocess is the so-called "singlet oxygen" 1 02 which is highly reactive and characterized by a very short life time (of the order of a microsecond); consequently, only the substrates, eg. unsaturated proteins and lipids, located in the porphyrin microintome, are capable of inducing oxidative damage. A remote action of the photosensitizer is to be excluded.

Infine, le porfine sono in grado di assorbire essenzialmente tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile e sono quindi fotoattivabili da una elevata varietà di sorgenti luminose, si coerenti che non coerenti. In tal modo, è possibile variare la profondità e l’estensione dell’area fotosterilizzata. In letteratura esistono esempi di fotoattivazione di porfine con sorgenti laser o con lampade di diversa natura (esempio a filamento, a vapori di gas ecc.) che emettono nella regione del vicino Uv, del bleu, del verde, del rosso e del vicino infrarosso, pertanto variando la profondità di azione da 1-2 mm a circa 2 cm. Finally, the porphins are able to absorb essentially all the wavelengths of the visible spectrum and are therefore photo-activated by a high variety of light sources, both coherent and not coherent. In this way, it is possible to vary the depth and extension of the photosterilized area. In literature there are examples of photoactivation of porphins with laser sources or with lamps of different nature (e.g. filament, gas vapor, etc.) which emit in the region of near UV, blue, green, red and near infrared, therefore varying the depth of action from 1-2 mm to about 2 cm.

L’azione del fotosensibilizzatore, essendo legata alla fotoattivazione con un raggio luminoso, può essere promossa anche in siti non dirrettamente raggiungibili dalla sorgente di luce visibile, pilotando il fascio luminoso mediante una fibra ottica associata alla sorgente stessa; inoltre, si può indurre una diffrazione del fascio luminoso introducendo nel sistema irradiato un liquido microeterogeneo, come l’intralipide, caratterizzato da capacità di dispersione ottica. In tal modo, anche molecole di porfina localizzate in irregolarità altrimenti inaccessibili possono essere prontamente ed efficacemente fotoattivate. The action of the photosensitizer, being linked to photoactivation with a light beam, can also be promoted in sites not directly reachable by the visible light source, by driving the light beam through an optical fiber associated with the source itself; moreover, a diffraction of the light beam can be induced by introducing a microheterogeneous liquid, such as intralipid, characterized by optical dispersion capacity, into the irradiated system. In this way, even porphyrin molecules located in otherwise inaccessible irregularities can be readily and effectively photoactivated.

Claims

CLAIMS A product is claimed consisting of: 1) light source (both coherent and non-coherent) with emission in the visible region of the electromagnetic spectrum; 2) photosensitizing agent consisting of tetracationic porphyrin, dissolved by isotonic physiological solution, possibly containing an optical dispersion liquid. This product is used for: a) endodontics in the broad sense; b) reduction of the bacterial load during the surgical phase of implant placement; c) disinfection of the surgical socket; d) peri-implantitis at each stage of disease progression. The photosensitizer must be used in doses of the order of pg / ml of solution, and activated immediately after deposition with light of a visible wavelength for light doses of the order of ten of J / cm2 of tissue, administered at a speed fluence between 10 mW / cm2 and 50 mW / cm2. The light source can be coupled with an optical fiber or with an optical fiber bundle.