Volume 3, Issue 1 - Topic Issue: Clinical impact of laser-assisted treatment modalities / Issue Editors: Lothar Lilge and Ronald Sroka

Background and objective: The aim of this study was to evaluate the effects of 780-nm laser therapy on the expression of genes related to muscle healing. Materials and methods: Sixty-three rats were distributed into three groups: 1) injured control group (CG), 2) injured treatment group at 10 J/cm 2 (G10), and 3) injured treatment group at 50 J/cm 2 (G50). Histopathological analysis and mRNA genes expression were evaluated after 7, 14 and 21 days post-injury. Results: At day 7, G10 presented a smaller necrosis area compared to CG and G50. Fourteen days post-surgery, G10 and G50 presented a smaller amount of inflammatory cells and a better tissue organization compared to CG. On day 21, G10 and G50 showed better muscle structure than the control. A significantly decreased COX-2 expression was observed in groups G10 and G50 at day 7 compared to the control animals. No difference was found among the experimental groups after 14 days, but G50 presented statistically higher COX-2 down-regulation at day 21. VEGF expression decreased in the first period analyzed in both treatment groups, increased after 14 days in G10, and increased after 21 days in G50. Both irradiated groups had a higher MyoD expression in all the evaluated periods and myogenin levels increased after 14 days in both treatment groups and in G10 after 21 days. Conclusion: 780-nm laser therapy had positive effects during muscle regeneration through the gene expression modulation related to the inflammatory process and the new muscle fibers formation, in both fluencies used in the present study, but the fluence of 10 J/cm 2 was more efficient. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Das Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen der 780 nm-Laserherapie auf die im Zusammenhang mit der Muskelheilung stehende Genexpression zu bewerten. Materialien und Methoden: Für die Studie wurden 63 Ratten in drei Gruppen aufgeteilt: 1) verletzte Kontrollgruppe ohne Therapie (CG), 2) verletzte Behandlungsgruppe mit 10 J/cm 2 (G10) und 3) verletzte Behandlungsgruppe mit 50 J/cm 2 (G50). Die histopathologische Analyse sowie die Bestimmung der Genexpression (mRNA-Expression) erfolgte jeweils 7, 14 und 21 Tage nach der Verletzung. Ergebnisse: Am Tag 7 wurde in der G10-Gruppe im Vergleich zu den beiden anderen Untersuchungsgruppen CG und G50 ein kleinerer Nekrosebereich festgestellt. Vierzehn Tage nach der Operation zeigten sich in den beiden Behandlungsgruppen G10 und G50 eine kleinere Menge von Entzündungszellen und eine bessere Gewebeorganisation als in der Kontrollgruppe CG. Am Tag 21 erwies sich die Muskelstruktur in den beiden behandelten Gruppen G10 und G50 besser als in der Kontrollgruppe. Nach 7 Tagen wurde im Vergleich zu den Kontrolltieren eine verminderte COX2-Expression in den Gruppen G10 und G50 beobachtet. Es wurde aber kein Unterschied zwischen den experimentellen Gruppen nach 14 Tagen gefunden. Hingegen war die Down-Regulierung der COX2-Expression am Tag 21 in der G50-Gruppe statistisch höher. Die VEGF-Expression sank zunächst in beiden Behandlungsgruppen, erhöhte sich nach 14 Tagen in der G10-Gruppe und nach 21 Tagen in der G50-Gruppe. Beide bestrahlten Gruppen hatten an allen beobachteten Tagen eine höhere MyoD-Expression; der Myogenin-Anteil stieg nach 14 Tagen in beiden behandelten Gruppen an und war nach 21 Tagen in der G10-Gruppe am höchsten. Fazit: Die 780 nm-Lasertherapie hatte für beide in der Studie untersuchten Bestrahlungsstärken einen positiven Effekt bei der Regeneration der Muskulatur durch die Modulation der Genexpression in Bezug auf die Entzündung und die neue Muskelfaserbildung, allerdings war eine Laserbestrahlung mit 10 J/cm 2 effektiver.

Background and objective: Low intensity laser irradiation remains a controversial treatment for non-healing wounds. This study examines the effect of low intensity light on healing of infected skin wounds in the rat. Materials and methods: Wounds on the rat dorsum were inoculated with Pseudomonas aeruginosa . Wounds were irradiated or sham-irradiated three times weekly from day 1 to 19 using 635-nm or 808-nm diode lasers delivering continuous wave (CW) or intensity modulated (3800 Hz) laser radiation, all at radiant exposures of 1 and 20 J/cm 2 . Wound area and bacterial growth on the wound surface were evaluated three times a week. Histological and immunohistochemical analyses were performed at day 8 and 19. Results: Wounds that were irradiated using a wavelength of 635 nm (1 and 20 J/cm 2 ) or intensity modulated 808-nm laser light at 20 J/cm 2 were smaller in area at day 19 than the sham-irradiated controls (achieved significance level=0.0105–0.0208) and were similar to controls in respect of bacterial growth. The remaining light protocols had no effect on wound area at day 19 although they increased Staphylococcus aureus growth across the time line compared with controls ( p <0.0001 to p <0.004). CW 808-nm light at 20 J/cm 2 significantly delayed half-heal time. Histological and immunohistochemical analyses supported wound closure findings: improved healing was associated with faster resolution of inflammation during the acute phase and increased signs of late repair at day 19. Significant inflammation was seen at day 19 in all irradiated groups regardless of radiant exposure, except when using 635 nm at 1 J/cm 2 . Conclusions: Red light improved healing of wounds. Only one 808-nm light protocol enhanced healing; lack of benefit using the remaining 808-nm light protocols may have been due to stimulatory effects of the light on S. aureus growth. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Low-Intensity-Laserbestrahlung bleibt eine umstrittene Behandlung von nicht heilenden Wunden. Diese Studie untersucht die Wirkung von Laserlicht niedriger Intensität auf die Heilung von infizierten Wunden der Haut am Rattenmodell. Materialien und Methoden: Wunden auf dem Rücken von Ratten wurden mit dem Pseudomonas aeruginosa geimpft und anschließend dreimal wöchentlich, beginnend am Tag 1 bis zum Tag 19, bestrahlt oder scheinbestrahlt. Für die Laserbestrahlung wurden ein kontinuierlich abstrahlender (continuous wave, cw) 635 nm-Diodenlaser oder ein 808 nm-Diodenlaser im cw- bzw. intensitätsmodulierten (3800 Hz) Modus verwendet, jeweils mit einer Energiedichte von 1 und 20 J/cm 2 . Die Wundbereiche und das Bakterienwachstum an der Wundoberfläche wurden dreimal wöchentlich ausgewertet. Histologische und immunhistochemische Analysen wurden am Tag 8 und 19 durchgeführt. Ergebnisse: Wunden, die mit einer Wellenlänge von 635 nm (1 und 20 J/cm 2 ) oder mit intensitätsmoduliertem 808 nm-Laserlicht bei 20 J/cm 2 bestrahlt wurden, waren am Tag 19 in der Fläche kleiner als die scheinbestrahlten Proben (erreichtes Signifikanzniveau=0,0105 bis 0,0208) und in Bezug auf das Bakterienwachstum vergleichbar mit der Kontrollgruppe. Die anderen Bestrahlungsprotokolle hatten keinen Einfluss auf den Wundbereich am Tag 19, führten über die Zeit aber zu einem im Vergleich zur Kontrollgruppe erhöhten Staphylococcus aureus -Wachstum ( p <0,0001 bis p <0,004). Hingegen hat die kontinuierliche 808 nm-Laserbestrahlung mit 20 J/cm 2 die Heilung verzögert. Die histologischen und immunhistochemischen Analysen unterstützen die Wundverschlussbefunde: die verbesserte Heilung ging mit einem schnellen Rückgang der Entzündung während der akuten Phase einher und es gab erhöhte Anzeichen für eine späte Reparatur am Tag 19. In allen bestrahlten Gruppen und unabhängig von der verwendeten Energiedichte – außer bei der Verwendung von 635 nm bei 1 J/cm 2 – wurde am Tag 19 eine deutliche Entzündung gesehen. Schlussfolgerungen: Rotes Licht verbessert die Heilung von Wunden. Nur ein 808 nm-Bestrahlungsprotokoll verbesserte die Heilung; der fehlende Nutzen der restlichen 808 nm-Bestrahlungsprotokolle lässt sich möglicherweise auf die stimulierende Wirkung des Lichts auf das S. aureus -Wachstum zurückführen.

Objective: Resin-based composites are used for many applications in dentistry. They are difficult to remove without damage to the underlying enamel since they adhere strongly and are color matched to the tooth. The objective of this study was to determine if an automated laser scanning system with spectral feedback could be used for selective removal of residual orthodontic composite from tooth surfaces with minimal damage to the underlying enamel. Materials and methods: A CO 2 laser operating at a wavelength of 9.3 μm with a pulse duration of 10–15 μs and a pulse repetition rate of ∼200 Hz was used to selectively remove composite from the buccal surfaces of extracted teeth. A spectral feedback system utilizing a miniature spectrometer was used to control the laser scanning system. Pulpal temperature measurements were performed during composite removal to determine if there was excessive heat accumulation. Conventional and digital microscopes were used to assess the amount of enamel lost during removal. Results: The amount of enamel lost averaged between 20 and 25 μm for irradiation intensities from 3.8 to 4.2 J/cm 2 , respectively. An average maximum temperature rise of 1.9±1.5°C was recorded, with no teeth approaching the critical value of 5.5°C. The average time for composite removal from an area of 5 mm 2 was 19.3±4.1 s, fast enough for clinical feasibility. Conclusion: Residual composite can be rapidly removed from tooth surfaces using a CO 2 laser with spectral feedback, with minimal temperature rise within the pulp and with minimal loss of sound enamel. Zusammenfassung Ziel: Kompositharze werden für viele Anwendungen in der Zahnmedizin verwendet. Sie sind allerdings nur schwer ohne Beschädigung des darunter liegenden Zahnschmelzes zu entfernen, da sie stark anhaften und farblich an den Zahn angepasst sind. Ziel dieser Studie war es daher festzustellen, ob ein automatisches Laser-Scansystem mit spektralem Feedback für die selektive Entfernung von Kompositresten von Zahnoberflächen mit minimalen Schäden am darunterliegenden Zahnschmelz verwendet werden kann. Materialien und Verfahren: Ein CO 2 -Laser (9,3 μm Wellenlänge, 10–15 μs Pulslänge, 200 Hz Repetitionsrate) wurde verwendet, um Komposit von den bukkalen Oberflächen extrahierter Zähne zu entfernen. Ein spektrales Rückkopplungssystem basierend auf einem Miniatur-Spektrometer wurde verwendet, um das Laser-Scansystem zu steuern. Pulpale Temperaturmessungen wurden durchgeführt, um festzustellen, ob es während der Entfernung des Komposits zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung kommt. Herkömmliche und digitale Mikroskope wurden verwendet, um den durch die Prozedur verursachten Schmelzverlust zu beurteilen. Ergebnisse: Der Schmelzverlust lag für die verwendeten Bestrahlungsstärken von 3,8 bis 4,2 J/cm 2 bei durchschnittlich 20 bis 25 μm. Der mittlere maximale Temperaturanstieg betrug 1,9±1,5°C, ohne den kritischen Wert von 5,5°C zu überschreiten. Die durchschnittliche Zeit für die Kompositentfernung auf einer Fläche von 5 mm 2 betrug 19,3±4,1 s, schnell genug für die klinische Anwendbarkeit. Fazit: Kompositreste können mit einem CO 2 -Lasersystem mit spektralem Feedback schnell von Zahnoberflächen entfernt werden; dies mit minimalem Temperaturanstieg im Zahnnerv und mit minimalem Schmelzverlust.

Background: Stone therapy has been developing towards minimally invasive endourological techniques. This includes endoscopic lithotripsy techniques to reduce the urolith size prior to removal. In this context, stone repulsion constitutes an undesired effect of the mechanical impact on the stones and should therefore be minimized to facilitate the intervention and to improve its outcome. Objectives: To compare the repulsion characteristics of two stand-alone, handheld lithotripsy devices (LithoBreaker ® and StoneBreaker™) and one Ho:YAG laser using dedicated test models. Materials and methods: Tests with single-use mechanical probes (1 and 2 mm in diameter) as well as Ho:YAG laser pulses delivered by optical fibers with core diameters of 230, 365 and 600 μm were conducted in underwater set-ups by measuring displacements of non-breakable spherical test masses (steel balls having diameters of 3–5 mm and masses of 0.12, 0.27 and 0.52 g respectively; and a lead ball with a diameter of 5 mm and a mass of 0.72 g). The tests were carried out in an acrylic glass tube with an inner diameter of 12 mm used as an ureter model and on a pendulum set-up. Additionally, hard and soft dampers were compared in case of the LithoBreaker ® . Mean and standard deviations of the displacements and related quantities were evaluated for all sets of experiments and statistical analyses were performed (Student’s t -test, Mann-Whitney U -test, Shapiro-Wilk test) to test the influence of device type and device parameters. Results: The repulsion distance in the ureter model using the 1-mm probes was 19.4±1.9 cm with hard and 21.5±2.7 cm with soft damper for the LithoBreaker ® device and 20.3±3.0 cm for the StoneBreaker™ device (with standard damper). The repulsion distance using the 2-mm probes was 14.8±1.3 cm with hard and 20.5±2.5 cm with soft damper for the LithoBreaker ® and 17.1±2.0 cm for the StoneBreaker™. In pendulum tests, the 2-mm probes again resulted in smaller displacements than the 1-mm probes, except for the LithoBreaker ® with soft damper. For a fixed probe diameter, no statistically significant influence of the damper was observed in case of the LithoBreaker ® ( p >0.05). However, the StoneBreaker™ with 2-mm probes produced smaller repulsions than the LithoBreaker ® with 2-mm probes and hard damper. The pendulum tests with Ho:YAG laser pulses showed that the repulsion is proportional to the fiber core diameter and the laser pulse energy. The laser-induced momentum is about a factor 100 lower than the one generated with the mechanical lithotripsy devices. Conclusions: The electromechanical LithoBreaker ® and the pneumatic StoneBreaker™ produced significantly different repulsions ( p <0.05). The laser-induced momentum transfer is significantly lower compared to the mechanical lithotripsy devices ( p <0.05). Zusammenfassung Hintergrund: Die Steintherapie hat sich zunehmend hin zu minimal-invasiven endourologischen Techniken entwickelt. Dies schließt endoskopische Steinzertrümmerungstechniken ein, die eingesetzt werden, um die Größe des Uroliths vor der Entfernung zu reduzieren. In diesem Zusammenhang stellt der Rückstoß des Steins einen unerwünschten Effekt des mechanischen Stoßes dar, der daher minimiert werden sollte, um den Eingriff zu erleichtern und seinen Erfolg zu verbessern. Zielsetzung: Vergleich der Rückstoß-Charakteristiken von zwei eigenständigen tragbaren Lithotripsie-Geräten (LithoBreaker ® und StoneBreaker™) und einem Ho:YAG-Laser mit Hilfe spezieller Testmodelle. Materialien und Methoden: In Wasserumgebung wurden Tests mit mechanischen Einwegsonden (1 und 2 mm im Durchmesser) sowie mit über optische Fasern (Kerndurchmesser von 230, 365 und 600 μm) übertragenen Ho:YAG-Laserpulsen durchgeführt, indem die Auslenkungen von unzerbrechlichen kugelförmigen Testmassen gemessen wurden (Stahlkugeln mit Durchmessern von 3, 4 bzw. 5 mm und Massen von 0,12, 0,27 bzw. 0,52 g, sowie eine Bleikugel mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Masse von 0,72 g). Die Tests wurden in einer Acrylglas-Röhre mit 12 mm Innendurchmesser, welche als Ureter-Modell diente, sowie an einem Pendelaufbau durchgeführt. Zusätzlich wurden im Falle des LithoBreaker ® harte und weiche Dämpfer miteinander verglichen. Mittelwerte und Standardabweichungen der Auslenkungen und der damit zusammenhängenden Messgrößen wurden für alle Experimentserien berechnet, und statistische Analysen wurden durchgeführt (Student’s t -Test, Mann-Whitney U -Test, Shapiro-Wilk-Test), um den Einfluss des Gerätetyps und der Geräteparameter zu testen. Ergebnisse: Die Rückstoßdistanz im Ureter-Modell bei Verwendung der 1 mm-Sonden betrug 19,4±1,9 cm mit hartem und 21,5±2,7 cm mit weichem Dämpfer für das LithoBreaker ® -Gerät und 20,3±3,0 cm für das StoneBreaker™-Gerät (mit Standard-Dämpfer). Die Rückstoßdistanz bei Verwendung der 2 mm-Sonden lag bei 14,8±1,3 cm mit hartem und 20,5±2,5 cm mit weichem Dämpfer für den LithoBreaker ® und 17,1±2,0 cm für den StoneBreaker™. In den Pendelversuchen mit den 2 mm-Sonden wurden erneut kleinere Auslenkungen als mit den 1 mm-Sonden gemessen, mit Ausnahme des LithoBreaker ® mit weichem Dämpfer. Bei festem Sondendurchmesser wurde im Falle des LithoBreaker ® kein statistisch signifikanter Einfluss des Dämpfers beobachtet ( p >0,05). Der StoneBreaker™ mit 2 mm-Sonden erzeugte jedoch kleinere Rückstöße als der LithoBreaker ® mit 2 mm-Sonden und hartem Dämpfer. Die Pendeltests mit Ho:YAG-Laserpulsen zeigten, dass der Rückstoß sich proportional zum Faserkerndurchmesser und der Laserpulsenergie verhält. Der laser-induzierte Impuls ist etwa um den Faktor 100 kleiner als der, der mit den mechanischen Lithotripsie-Geräten erzeugt wurde. Schlussfolgerungen: Mit dem elektromechanischen LithoBreaker ® und dem pneumatischen StoneBreaker™ werden signifikant unterschiedliche Rückstöße erzeugt ( p <0,05). Der laser-induzierte Impulsübertrag ist signifikant kleiner als bei den mechanischen Lithotripsie-Geräten ( p <0,05).

Ageing populations worldwide requires more affordable minimally invasive therapy procedures. German data show an increase in both benign prostate enlargement (BPE) and carcinoma of the prostate. In 1901 the introduction of anesthesia made the Freyer operation possible, and using electricity enabled transurethral resection of prostate (TURP) in the 1920s. In 1991 Hofstetter was the first physician to laser prostate tissue by means of interstitial laser coagulation. Twenty years later 80% of the BPE operations in the USA were carried out by mostly outpatient photoselective vaporization of the prostate (PVP). In France, this method was declared a standard in December 2012. Our experience with Medilas100 and re-sterilized quartz fibers dates back to 1988 and includes the laser treatment of 4000 urothelial tumors and 2000 BPEs (as presented at nearly 60 congresses). In 1996 the 50 W, 980 nm diode laser replaced the scalpel and reduced costs to 45% of the pre-laser era. Today portable laser devices with over 100 W and using an extremely wide variety of wavelengths operate for 100,000 maintenance-free hours and facilitate cutting, sawing and drilling in tissue, teeth and bones with bare fibers. Currently a method using beam reflection indicates when the beam is entering or leaving the tumor and Raman spectroscopy is being introduced as new diagnostic method for tissue differentiation. The proton laser DRACO has been tested at the Dresden Center OncoRay. It destroys only tumor tissue without damaging the surrounding healthy tissue. It is possible to use a laser anywhere where there is an electric source – in high-tech mega-clinics as well as in Red-Cross/Half Moon disaster relief tents. All laser physicians should publish their results, so that others can follow and prove the method. Zusammenfassung Die weltweite Überalterung erfordert erschwinglichere minimal-invasive Therapieverfahren. Daten aus Deutschland zeigen eine Zunahme von sowohl gutartigen Prostatavergrößerungen (benigne Prostatahyperplasie, BPH) als auch von Prostatakarzinomen. Im Jahr 1901 machte die Einführung der Anästhesie die Freyer-Operation möglich, und mit dem Einzug der Elektrizität wurde seit den 1920er Jahren die transurethrale Resektion der Prostata (TURP) möglich. 1991 war Hofstetter der erste Arzt, der die interstitielle Thermokoagulation von Prostatagewebe durchführte. Zwanzig Jahre später werden 80% der BPH-Operationen in den USA meist ambulant mittels photoselektiver Verdampfung der Prostata (PVP) durchgeführt. Zudem wurde diese Methode im Dezember 2012 in Frankreich zum Standard erklärt. Unsere Erfahrungen mit dem Medilas100 und resterilisierten Quarzfasern reicht bis in das Jahr 1988 zurück und umfasst die Laserbehandlung von 4000 Urotheltumoren und 2000 BPHs – präsentiert auf mehr als 60 Kongressen. 1996 ersetzte der 50 W, 980 nm-Diodenlaser das Skalpell, wodurch die Kosten auf 45% der Vor-Laserära reduziert werden konnten. Heute arbeiten tragbare Laserger<uni-00E4>te mit mehr als 100 W und einer extrem breiten Varianz von Wellenlängen fast 100.000 Stunden wartungsfrei und ermöglichen das Schneiden, Sägen und Bohren in Gewebe, Knochen und Zähnen mit der bloßen Faser. Aktuell werden Verfahren erprobt, die unter Verwendung der Strahlreflexion anzeigen, wann der Laserstrahl in den Tumor ein- bzw. aus diesem austritt und die Raman-Spektroskopie wird als neue diagnostische Methode zur Differenzierung von Gewebe eingeführt. Der Proton-Laser DRACO wurde erfolgreich am Dresdner OncoRay-Forschungszentrum getestet. Er zerstört nur Tumorgewebe ohne Schädigung des umliegenden gesunden Gewebes. Es ist möglich, einen Laser überall da zu verwenden, wo es eine Stromquelle gibt – ob in High-Tech-Mega-Kliniken oder in Katastrophen-Zelten des Roten Kreuzes oder des Roten Halbmondes. Alle Laser-Ärzte sollten ihre Ergebnisse veröffentlichen, so dass andere sie nutzen und ihre Nachhaltigkeit prüfen können.