On the causes of persistent apical periodontitis

crushing, the tiny clumps of branching microorgan-

isms with radiating filaments in pus, give a ‘starburst

appearance’ which prompted Harz (1879) to coin the

name Actinomyces or ‘ray fungus’. Four years later

Actinomyces israelii was isolated from humans in pure

culture, characterized and its pathogenicity in animals

demonstrated (Wolff & Israel 1891). Many researchers,

nevertheless, considered the human and bovine isolates

as identical. However, A. bovis and A. israelii are now

classified as two distinct bacterial species and in natural

infections the former is restricted to animals and the

latter to humans.

Human actinomycosis is clinically divided into

cervicofacial, thoracic and abdominal forms. About

60% of the cases occur in the cervicofacial region, 20%

in the abdomen and 15% in the thorax (Kapsimalis &

Garrington 1968, Oppenheimer et al. 1978). The most

common species isolated from humans is A. israelii

(Wolff & Israel 1891), which is followed by Propioni-

bacterium propionicum

(Buchanan

& Pine

1962),

Actinomyces naeslundii (Thompson & Lovestedt 1951),

Actinomyces viscosus (Howell et al. 1965) and Actino-

myces odontolyticus (Batty 1958) in descending order.

Periapical actinomycosis (Fig. 4) is a cervicofacial

form of actinomycosis. The endodontic infections are

generally a sequel to caries. Actinomyces israelii is a

commensal of the oral cavity and can be isolated from

tonsils, dental plaque, periodontal pockets and carious

Nair Persistent apical periodontitis

ª 2006 International Endodontic Journal

International Endodontic Journal, 39, 249–281, 2006

255

lesions (Sundqvist & Reuterving 1980). Most of the

publications on periapical actinomycosis are case

reports and have been reviewed (Browne & O’Riordan

1966, Samanta et al. 1975, Weir & Buck 1982, Martin

& Harrison 1984, Nair & Schroeder 1984, Sakellariou

1996). Although periapical actinomycosis is considered

Figure 4

An actinomyces-infected periapical pocket cyst affecting a human maxillary first premolar (radiographic inset). The cyst

is lined with ciliated columnar (CEP) and stratified squamous (SEP) epithelia. The rectangular block in (a) is magnified in (c). The

typical ‘ray-fungus’ type of actnomycotic colony (AC in b) is a magnification of the one demarcated in (c). Note the two black

arrow-headed, distinct actinomycotic colonies within the lumen (LU). Original magnifications: (a)

·20, (b) ·60, (c) ·210. From

P.N.R. Nair et al. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology and Endodontics 94: 485–93, 2002.

Persistent apical periodontitis Nair

International Endodontic Journal, 39, 249–281, 2006

ª 2006 International Endodontic Journal

256

to be rare (Nair & Schroeder 1984), it may not be so

infrequent (Monteleone 1963, Hylton et al. 1970,

Sakellariou 1996). The data on the frequency of

periapical actinomycosis among apical periodontitis

lesions are scarce. A microbiological control study

revealed actinomycotic involvement in two of the 79

endodontically treated cases (Bystro¨m et al. 1987). A

histological

analysis

showed

the

presence

of

characteristic actinomycotic colonies (Fig. 5) in two

of the 45 investigated lesions (Nair & Schroeder 1984).

An identification and aetiological association of the

species involved can be established only through

laboratory culturing (Sundqvist & Reuterving 1980)

of the organisms, molecular techniques and by experi-

mental induction of the lesion in susceptible animals

(Figdor et al. 1992). However, the strict growth

requirements of A. israelii make isolation in pure

culture difficult. A histopathological diagnosis has

generally been reached on the basis of demonstration

of typical colonies (Nair & Schroeder 1984) and by

specific immunohistochemical staining of such colonies

(Sundqvist & Reuterving 1980, Happonen et al. 1985).

Today, an unequivocal identification of the organism

can be achieved by molecular methods. The charac-

teristic light microscopic feature of an actinomycotic

colony is the presence of an intensely dark staining,

Gram and PAS positive, core with radiating peripheral

filaments (Fig. 5) that gives the typical ‘star burst’ or

‘ray fungus’ appearance. Ultrastructurally (Nair &

Schroeder 1984, Figdor et al. 1992), the centre of the

colony consists of a very dense aggregation of branch-

ing filamentous organisms held together by an extra-

cellular matrix (Fig. 5). Several layers of PMN usually

surround an actinomycotic colony.

Because of the ability of the actinomycotic organisms

to establish extraradicularly, they can perpetuate the

inflammation at the periapex even after proper root

canal treatment. Therefore, periapical actinomycosis is

important in endodontics (Sundqvist & Reuterving

1980, Nair & Schroeder 1984, Happonen et al. 1985,

Happonen 1986, Sjo¨gren et al. 1988, Nair et al. 1999).

Actinomyces israelii and P. proprionicum are consistently

isolated and characterized from the periapical tissue of

teeth, which did not respond to proper non-surgical

endodontic treatment (Happonen 1986, Sjo¨gren et al.

1988). A strain of A. israelii, isolated from a case of

failed endodontic treatment and grown in pure culture,

was inoculated into subcutaneously implanted tissue

cages in experimental animals. Typical actinomycotic

colonies were formed within the experimental host

tissue. This would implicate A. israelii as a potential

aetiological factor of persistent apical periodontitis

following root canal treatment. Actinomyces have been

shown to posses a hydrophobic cell surface property,

Gram-positive cell wall surrounded by a fuzzy outer

coat through which fimbriae-like structures protrude

(Figdor & Davies 1997). These may help the cells to

aggregate into cohesive colonies (Figdor et al. 1992).

The properties that enable these bacteria to establish in

the periapical tissues are not fully understood, but

appear to involve the ability to build cohesive colonies

that enables them to escape host defence systems

(Figdor et al. 1992). Propionibacterium propionicum is

known to be pathogenic and associated with actino-

mycotic infections. But the mechanism of pathogenicity

of the organism has not yet been explained.

Other extraradicular microbes

Apical periodontitis has long been considered to be a

dynamic defence enclosure against unrestrained inva-

sion of microorganisms into periradicular tissues (Kron-

feld 1939, Nair 1997). It is, therefore, conceivable that

microorganisms generally invade extraradicular tissues

during expanding and exacerbating phases of the

disease process. Based on classical histology (Harndt

1926) there has been a consensus of opinion that ‘solid

granuloma’ may not harbour infectious agents within

the inflamed periapical tissue, but microorganisms are

consistently present in the periapical tissue of cases with

clinical signs of exacerbation, abscesses and draining

sinuses. This has been substantiated by more modern

correlative light and transmission electron microscopic

investigations (Nair 1987).

However, in the late 1980s, there was a resurgence

of the concept of extraradicular microbes in apical

periodontitis (Tronstad et al. 1987, 1990, Iwu et al.

1990, Wayman et al. 1992) with the controversial

suggestion that extraradicular infections are the cause

of many failed endodontic treatments; such cases

would not be amenable to a non-surgical approach

but would require apical surgery and/or systemic

medications. Several species of bacteria have been

reported to be present at extraradicular locations of

lesions described as ‘asymptomatic periapical inflam-

matory lesions

… refractory to endodontic treatment’

(Tronstad et al. 1987). However, five of the eight

patients had ‘long-standing fistulae to the vestibule

…’

(Tronstad et al. 1987), a clear sign of abscessed apical

periodontitis draining by fistulation. Obviously the

microbial samples were obtained from periapical

abscesses that always contain microbes and not from

asymptomatic periapical lesions persisting after proper

Nair Persistent apical periodontitis

ª 2006 International Endodontic Journal

International Endodontic Journal, 39, 249–281, 2006

257

Figure 5

Periapical actinomycosis. Note the presence of an actinomycotic colony (AC) in the body of a human apical periodontitis

lesion (GR) revealing typical ‘starburst’ appearance (inset in a). The transmission electron microscopic montage (b) shows the

peripheral area of the colony with filamentous organisms surrounded by few layers of neutrophilic granulocytes (NG). D, dentine;

ER, erythrocytes. Original magnifications: (a)

·70; inset ·250; (b) ·2200. Adapted from Nair & Schroeder (1984). Printed with

permission from Lippincott Williams & Wilkins

ª

.

Persistent apical periodontitis Nair

International Endodontic Journal, 39, 249–281, 2006

ª 2006 International Endodontic Journal

258

endodontic treatment. Other publications also show

serious deficiencies. In one (Iwu et al. 1990), the 16

periapical specimens studied were collected ‘during

normal periapical curettage, apicectomy or [during

the procedure of] retrograde filling’. Of the 58 specimens

that were investigated in another (Wayman et al.

1992), ‘29 communicated with the oral cavity through

vertical root fractures or fistulas’. Further, the speci-

mens were obtained during routine surgery and were

‘submitted by seven practitioners’. An appropriate

methodology is essential and in these studies (Tronstad

et al. 1987, Iwu et al. 1990, Wayman et al. 1992)

unsuitable cases were selected for investigation or the

sampling was not performed with the utmost stringency

needed to avoid bacterial contamination (Mo¨ller 1966).

Microbial contamination of periapical samples is

generally believed to occur from the oral cavity and

other extraneous sources. Even if such ‘extraneous

contaminations’ are avoided, contamination of periap-

ical tissue samples with microbes from the infected root

canal remains a problem. This is because microorgan-

isms generally live at the apical foramen (Fig. 6) of

teeth with persistent apical periodontitis (Nair et al.

1990a, 1999) and also of those that have not

undergone root canal treatment (Nair 1987). Here

microbes can be easily dislodged during surgery and

the sampling procedures. Tissue samples contaminated

with intraradicular microbes may be reported positive

for the presence of an extraradicular infection. This is

probably the reason behind the repeated reporting of

bacteria in the periapical tissue of asymptomatic

persistent apical lesions by microbial culture (Abou-

Rass & Bogen 1997, Sunde et al. 2002) and molecular

techniques (Gatti et al. 2000, Sunde et al. 2000) in

spite of using strict aseptic sampling procedures.

Although there is an understandable enthusiasm

with molecular techniques, they seem less suitable to

solve the problem of extraradicular infection. Apart

from the unavoidable contamination of the samples

with intraradicular microbes, the DNA-based molecular

genetic analysis: (1) does not differentiate between

viable and non-viable organisms, (2) does not distin-

guish between microbes and their structural elements

in phagocytes from extracellular microorganisms in

periapical tissues and (3) exaggerates the findings by

PCR amplification.

In summary, extraradicular infections do occur in: (i)

exacerbating apical periodontitis lesions (Nair 1987),

(ii) periapical actinomycosis (Sundqvist & Reuterving

1980, Nair & Schroeder 1984, Happonen et al. 1985,

Happonen 1986, Sjo¨gren et al. 1988), (iii) association

with pieces of infected root dentine that may be

displaced into the periapex during root canal instru-

mentation (Holland et al. 1980, Yusuf 1982) or having

been cut off from the rest of the root by massive apical

resorption (Valderhaug 1974, Laux et al. 2000) and

(iv) infected periapical cysts (Fig. 4), particularly in

periapical pocket cysts with cavities open to the root

canal (Nair 1987, Nair et al. 1996, 1999). These

situations are quite compatible (Nair 1997, Berg-

enholtz & Spa˚ngberg 2004) with the long-standing

and still valid concept that solid granuloma generally

do not harbour microorganisms. Therefore, the main

target of treatment of persistent apical periodontitis

should be the microorganisms located within the

complex apical root canal system.

Extraradicular viruses

A series of publications appeared recently (Sabeti et al.

2003a,b,c, Sabeti & Slots 2004) that report the

presence of certain viruses in inflamed periapical tissues

with the suggestion of an ‘etio-pathogenic relationship’

to apical periodontitis. The findings were reviewed in

another publication even before some of the original

works appeared in print (Slots et al. 2003). It is almost

impossible to provide controls for such claims because

the reported viruses are present in almost all humans in

latent form from previous primary infections. The

possibility that the periapical inflammatory process

activates the viruses, existing in latent form, cannot be

excluded.

Non-microbial causes

Cystic apical periodontitis

The question as to whether or not periapical cysts heal

after non-surgical root canal treatment has been long-

standing. Oral surgeons are of opinion that cysts do not

heal and should be removed by surgery. Many endo-

dontists, on the other hand, hold the view that majority

of cysts heal after endodontic treatment. This conflict of

opinion is probably an outcome of the reported high

incidence of cysts among apical periodontitis and the

reported high ‘success rate’ of root canal treatments.

There have been several studies on the prevalence of

radicular cysts among human apical periodontitis

(Table 1). The recorded incidence of cysts among apical

periodontitis lesions varies from 6% to 55%. Apical

periodontitis cannot be differentially diagnosed into

cystic and non-cystic lesions based on radiographs

alone (Priebe et al. 1954, Baumann & Rossman 1956,

Nair Persistent apical periodontitis

ª 2006 International Endodontic Journal

International Endodontic Journal, 39, 249–281, 2006

259

Wais 1958, Linenberg et al. 1964, Bhaskar 1966,

Lalonde 1970, Mortensen et al. 1970). A correct

histopathological diagnosis of periapical cysts is poss-

ible only through serial sectioning or step-serial

sectioning of the lesions removed in toto. The vast

discrepancy in the reported incidence of periapical cysts

is probably due to the difference in the interpretation of

the sections. Histopathological diagnosis based on

random or limited number of serial sections, usually

leads to the incorrect categorization of epithelialized

lesions as radicular cysts. This was clearly shown in a

study using meticulous serial sectioning (Nair et al.

1996) in which an overall 52% of the lesions

(n

¼ 256) were found to be epithelialized but

only 15% were actually periapical cysts. In routine

histopathological diagnosis, the structure of a radicular

cyst in relation to the root canal of the affected tooth

has not been taken into account. As apical biopsies

Figure 6

Well-entrenched biofilm at the apical foramen of a tooth affected with apical periodontitis (GR). The apical delta in (a) is

magnified in (b). The canal ramifications on the left and right in (b) are magnified in (c) and (d), respectively. Note the strategic

location of the bacterial clusters (BA) at the apical foramina. The bacterial mass appears to be held back by a wall of neutrophilic

granulocytes (NG). Obviously, any surgical and/or microbial sampling procedures of the periapical tissue would contaminate the

sample with the intraradicular flora. EP, epithelium. Original magnifications: (a)

·20, (b) ·65, (c, d) ·350. (From P.N.R. Nair,

Pathology of the periapex. In: Cohen S, Burns RC, eds. Pathways of the Pulp. St Louis, MO, USA, 2002; Reprinted with permission

from Mosby

ª

.

Persistent apical periodontitis Nair

International Endodontic Journal, 39, 249–281, 2006

ª 2006 International Endodontic Journal

260

obtained by curettage do not include root-tips of the

diseased teeth, structural reference to the root canals of

the affected teeth is not possible. Histopathological

diagnostic laboratories and publications based on

retrospective reviewing of such histopathological re-

ports sustain the notion that nearly half of all apical

periodontitis are cysts.

An endodontic ‘success rate’ of 85–90% has been

recorded by investigators (Staub 1963, Kerekes &

Tronstad 1979, Sjo¨gren et al. 1990). However, the

histological status of an apical radiolucent lesion at the

time of treatment is unknown to the clinician who is

also unaware of the differential diagnosis of the

‘successful’ and ‘failed’ cases. Nevertheless, purely

based on deductive logic, the great majority of cystic

lesions should heal in order to account for the ‘high

success rate’ after endodontic treatment and the

reported ‘high histopathological incidence’ of radicular

cysts. As orthograde root canal treatment removes

much of the infectious material from the root canal and

prevents reinfection by filling, a periapical pocket cyst

(Fig. 7) may heal after such treatment (Simon 1980,

Nair et al. 1993, 1996). But a true cyst (Fig. 8) is

self-sustaining (Nair et al. 1993) by virtue of its tissue

dynamics and independence of the presence or absence

of irritants in the root canal (Simon 1980).

The therapeutic significance of the structural differ-

ence between apical true cysts and pocket cysts should

also be considered. The aim of root canal treatment is

the elimination of infection from the root canal and the

prevention of reinfection by root filling. Periapical

pocket cysts, particularly the smaller ones, may heal

after root canal therapy (Simon 1980). A true cyst is

self-sustaining as the lesion is no longer dependent on

the presence or absence of root canal infection (Simon

1980, Nair et al. 1996). Therefore, the true cysts,

particularly the large ones, are less likely to be resolved

by non-surgical root canal treatment. This has been

reported in a long-term radiographic follow-up (Fig. 9)

of a case and subsequent histological analysis of the

surgical block-biopsy (Nair et al. 1993). It can be

argued that the prevalence of cysts in persistent apical

periodontitis should be substantially higher than that

in primary apical periodontitis. However, this remains

to be clarified by research based on a statistically

reliable number of specimens. Limited investigations

(Nair et al. 1990a, 1993, 1999) on 16 histologically

reliable block biopsies of persistent apical periodontitis

revealed two cystic specimens (13%), which is higher

than the 9% of true cysts observed in a large study

(Nair et al. 1996) on mostly primary apical periodon-

titis lesions. The two distinct histological categories of

periapical cysts and the low prevalence of cystic lesions

among apical periodontitis would question the ration-

ale of disproportionate application of apical surgery

based on unfounded radiographic diagnosis of apical

lesions as cysts, and the widely held belief that majority

of cysts heal after non-surgical root canal treatment.

Nevertheless, clinicians must recognize the fact that the

cysts can sustain apical periodontitis post-treatment,

and consider the option of apical surgery, particularly

when previous attempts at non-surgical retreatment

have not resulted in healing (Nair 2003b).

Cholesterol crystals

Although the presence of cholesterol crystals in apical

periodontitis lesions has long been observed to be a

common histopathological feature, its aetiological sig-

nificance to failed root canal treatments has not yet

been fully appreciated (Nair 1999). Cholesterol (Taylor

1988) is a steroid lipid that is present in abundance in

all ‘membrane-rich’ animal cells. Excess blood level of

cholesterol is suspected to play a role in atherosclerosis

as a result of its deposition in the vascular walls (Yeagle

1988, 1991). Deposition of cholesterol crystals in

tissues and organs can cause ailments such as otitis

Table 1

The incidence of radicular cysts among apical peri-

odontitis lesions

Reference

Cysts

(%)

Granuloma

(%)

Others

(%)

Total

lesions

(n)

Sommer et al. (1966)

6

84

10

170

Block et al. (1976)

6

94

–

230

Sonnabend & Oh (1966)

7

93

–

237

Winstock (1980)

8

83

9

9804

Linenberg et al. (1964)

9

80

11

110

Wais (1958)

14

84

2

50

Patterson et al. (1964)

14

84

2

501

Nair et al. (1996)

15

50

35

256

Simon (1980)

17

77

6

35

Stockdale &

Chandler (1988)

17

77

6

1108

Lin et al. (1991)

19

–

81

150

Nobuhara &

Del Rio (1993)