Aquí establecemos que la aerosolización de un e-líquido comercial mediante un atomizador neumático a 200 °C proporciona un aerosol reducido en metales con niveles de aldehído comparables a los que se encuentran en aerosoles reales de cigarrillos electrónicos.
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Artículo de investigación
Generación de aerosoles sustancialmente reducidos en metales pero ricos en aldehídos para estudios de toxicidad de cigarrillos electrónicos
En este artículo
Resumen
Resumen
Cuando el e-líquido se aerosol en un cigarrillo electrónico para su inhalación por parte del usuario, el aerosol se contamina con una mezcla de tóxicos, incluidos metales y aldehídos. Falta un método para generar aerosol para cigarrillos electrónicos con alto aldehído pero bajo contenido metálico, pero es necesario para desentrañar los posibles efectos independientes frente a las interacciones toxicológicas de la exposición a aldehídos y metales de mezclas de aerosoles de cigarrillos electrónicos.
El objetivo de este estudio fue establecer un método para generar aerosoles ricos en aldehídos a partir de e-líquidos que, sin embargo, carecen de la gran contaminación por metales típica de los aerosoles de cigarrillos electrónicos. Para aerosolizar el e-líquido a temperaturas que favorecen la formación de aldehídos (hasta 200 °C), se calentó externamente un atomizador neumático. Tanto una mezcla pura de propilenglicol/glicerina vegetal (PG/VG) como un e-líquido comercial fueron aerosolizados. Se analizaron aerosoles en busca de tóxicos conocidos asociados a cigarrillos electrónicos, incluyendo 11 aldehídos mediante cromatografía líquida-espectrometría de masas tándem, y 9 metales (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente.
Los niveles de aldehído en los aerosoles del atomizador neumático solo alcanzaban los de un aerosol real de cigarrillo electrónico si el e-líquido comercial se aerosolaba a 200 °C. Los niveles de metales en los aerosoles del atomizador neumático eran entonces al menos 8 veces inferiores que en aerosoles de cigarrillos electrónicos de un dispositivo "Mod" operado a 50 W. Los niveles de Cu, Ni y Pb eran particularmente bajos en todas las muestras de aerosoles, con algunos niveles por debajo del límite de detección por método (MDL).
La aerosolización de un e-líquido comercial mediante un atomizador neumático a 200 °C produce un aerosol con niveles bajos de metales (particularmente Ni, Cu, Pb), pero con niveles de aldehído comparables a los que se encuentran en un aerosol real de cigarrillo electrónico.
Introducción
En Estados Unidos, los cigarrillos electrónicos son el producto de tabaco más utilizado entre los jóvenes; En 2024, el 5,9% de los estudiantes informó haber usado cigarrilloselectrónicos 1. Esto es una preocupación de salud pública porque los aerosoles de los cigarrillos electrónicos, que inhalan los usuarios de cigarrillos electrónicos, contienen una amplia gama de sustancias químicas tóxicas que, al inhalarse, pueden tener diversos efectos adversos para lasalud. Algunos productos químicos tóxicos en aerosoles no solo pueden emanar de la formulación original del e-líquido, sino que también pueden introducirse durante el uso del dispositivo. Por ejemplo, los metales se filtran de la bobina metálica de calentamiento utilizada para aerosolizar el e-líquido mediante el proceso de disolución y evaporación en elaerosol 3. En cambio, la mayoría de los aldehídos presentes en el aerosol de los cigarrillos electrónicos se forman a partir de los ingredientes base de los e-líquidos, propilenglicol (PG) y glicerina vegetal (VG), cuando la temperatura del e-líquido se eleva hasta el punto de ebullición del e-líquido para suaerosolización 4.
La presencia de metales y aldehídos en los aerosoles de los cigarrillos electrónicos es especialmente preocupante porque varios de ellos son tóxicos, especialmente para el cerebro y otros órganos. Por ejemplo, los metales plomo (Pb), manganeso (Mn), cobre (Cu), hierro (Fe), níquel (Ni) y cromo (Cr) son neurotóxicos conocidos que se han encontrado acumulándose en el cerebro de ratones expuestos a aerosoles de cigarrillos electrónicos, en niveles previamente descritos como causantes de efectosneurotóxicos 5. La exposición elevada a Mn y Pb, la sobrecarga de Fe en el cerebro y el desequilibrio de Cu se han relacionado con un mayor riesgo de desarrollo y/o progresión de enfermedades neurodegenerativas, por ejemplo, la enfermedad de Parkinson (EP). Esta neurotoxicidad inducida por metales suele implicar mecanismos celulares como el estrés oxidativo debido a la sobreproducción de especies reactivas de oxígeno (ROS), disfunción mitocondrial, agregación de proteínas yneuroinflamación 6,7,8.
Los aldehídos acroleína y formaldehído también se han relacionado con la neurodegeneración 9,10,11, posiblemente conduciendo a enfermedades neurológicas de aparición tardía como la EP. Como se muestra en un modelo murino con EP, la acumulación de aldehídos puede ser tóxica al promover la agregación de proteínas12, y las personas con una mutación en la enzima responsable de la conversión del acetaldehído en ácido acético (ALDH2) pueden tener un mayor riesgo de enfermedadde Alzheimer 13. Aunque se sabe que los metales y aldehídos pueden ser neurotóxicos individualmente, se sabe poco sobre sus efectos como mezclas, y parece bastante difícil desentrañar los efectos independientes e interactivos de estos dos grupos químicos en el contexto de la exposición a aerosoles de cigarrillos electrónicos. Para estudiar adecuadamente los efectos toxicológicos relacionados con la clase química, se necesita la capacidad de generar aerosoles simulados que estén reducidos en metales en comparación con los aerosoles de un cigarrillo electrónico de referencia elegido, igualando sus niveles de aldehído.
El objetivo de este artículo es establecer un método que, al igual que en un cigarrillo electrónico, aerosolice el e-líquido a alta temperatura para generar un aerosol rico en aldehídos, que, sin embargo, carece de contaminación metálica sustancial, para proporcionar al campo de la toxicología una nueva herramienta que permita desenredar los efectos tóxicos respectivos de estos compuestos en las mezclas de aerosoles de los cigarrillos electrónicos. Para lograr este objetivo, evitamos aerosolizar el e-líquido utilizando una resistencia metálica de calefacción, que actuaría como fuente de contaminación metálica. En su lugar, utilizamos un atomizadorneumático 14, que se calentaba externamente para promover la formación de aldehídos a partir de e-líquidos. Para evaluar nuestro enfoque, comparamos los niveles de aldehído y metales en aerosoles del atomizador con los de un cigarrillo electrónico "Mod" que usamos para exponer roedores a aerosoles de cigarrillos electrónicos.
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Protocolo
Configuración del atomizador neumático
Todos los materiales utilizados en el estudio se listan en el archivo de Tabla de Materiales . Para generar aerosol simulado de cigarrillos electrónicos sin usar una bobina metálica de calentamiento que libere metales, utilizamos un atomizador neumático comercial. Para alcanzar las altas temperaturas necesarias para promover la formación de aldehídos, calentamos el atomizador neumático en su conjunto envolviendo cinta térmica alrededor. Para ello, aflojamos los dos tornillos que aseguran la unidad de aerosol real a su soporte, de modo que la cinta térmica pudiera guiarse a través de la rendija resultante en lugar de envolverla alrededor del soporte. La temperatura del atomizador neumático se medía acoplando un detector de temperatura de resistencia al platino en su superficie exterior, es decir, la temperatura del e-líquido no se medía directamente. La conexión térmica mejoró aplicando una pequeña cantidad de pasta térmica al detector. La temperatura medida se leía mediante una placa microcontroladora, que controlaba un relé para suministrar a la cinta calefactora una alimentación de línea de 110 V si la temperatura real era inferior a la temperatura objetivo (entre 50 °C y 200 °C). La Figura 1 muestra la configuración experimental.
Los materiales de tubería necesarios para operar el atomizador neumático y que originalmente fueron suministrados por el fabricante tuvieron que ser reemplazados por materiales más resistentes a la temperatura: 1) la tubería de alimentación líquida (PTFE calibre 14) fue sustituida por tubería de silicona de alta temperatura (1/8" de diámetro exterior), 2) las secciones de tubería de polietileno de alto peso molecular (1/4" de diámetro exterior) de la línea de drenaje del líquido excedente y el suministro de aire filtrado fueron sustituidas por tubos de plástico duro para temperaturas extremas (1/4" de diámetro exterior).
Figura 1: Diagrama de la configuración experimental. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Funcionamiento del atomizador neumático
Accionar el atomizador neumático en el modo de recirculación por defecto podría provocar acumulación de metal en el e-líquido recirculante, que es el exceso de e-líquido no aerosolizado que fluye a través del exceso de líquido y se desagúra de nuevo hacia la botella de e-líquido. Para evitar la acumulación de metal asociado en el aerosol generado, el atomizador neumático se operó en modo no de recirculación, en el que el exceso de e-líquido fluye hacia una botella de residuos añadida. El aire comprimido de la casa se filtraba y secaba antes de suministrarlo al atomizador mediante un suministro de aire filtrado, que consiste en un prefiltro de coalescencia, un filtro de coalescencia, un filtro de carbón y un secador de membrana para eliminar partículas sólidas, gotas de aceite y agua, y vapor de aceite y agua. Según el fabricante, la filtración final de carbón elimina el 99,99995% de las partículas > 100 nm de tamaño.
Colección de aerosoles
El atomizador neumático se utilizó para generar aerosoles a partir de una solución PGG al 70%vol/VG del 30% vol, o de un e-líquido comercial real con un contenido de nicotina del 6% que usamos en investigacionesanteriores 15. Los niveles de aldehído y metales de los aerosoles producidos por el atomizador neumático se compararon con los de los aerosoles generados a partir del e-líquido comercial utilizando un cigarrillo electrónico Mod, es decir, un dispositivo modificable que puede rellenarse con e-líquido y cuya potencia operativa puede ajustarse. Recientemente, este Mod se utilizó para la exposición crónica de roedores a aerosol de cigarrillos electrónicos producidos a 30 W5. En este estudio, el dispositivo funcionaba con una potencia de salida de 30 W o 50 W.
En todos los experimentos, incluidos los con el atomizador neumático y los con el cigarrillo electrónico Mod, se recogieron muestras en aerosol en triplicado utilizando el método desarrollado por Olmedo et al.16 para análisis posteriores de metales y aldehídos. Se analizaron muestras de aerosoles para 9 metales (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) y 11 aldehídos (acetaldehído, acetona, acroleína, benzaldehído, 2-butanona, butiraldehído, crotonaldehído, formaldehído, hexaldehído, propionaldehído, pentanal) mediante cromatografía líquida con espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS) ( véase Archivo Suplementario 1 , Tabla Suplementaria 1 y Tabla Suplementaria 2 para más detalles). La posible transferencia de metal entre el aerosol recogido y el sistema de tubos colectores no era un problema, salvo para Zn.
Sensor electroquímico para estudio de aldehídos en tiempo real
Se utilizó un sensor electroquímico de bajo coste para comparar en tiempo real las concentraciones de aldehído en aerosoles producidas por diferentes e-líquidos a distintas temperaturas, y así poder ajustar más rápidamente las condiciones que favorecen la generación de aldehídos en comparación con el análisis offline por LC-MS/MS. Ese sensor, según el fabricante, mide las concentraciones de formaldehído con una lectura máxima de 5.000 ppb. El sensor podía conectarse directamente a un ordenador mediante un cable USB, y las concentraciones de formaldehído podían verse en tiempo real mediante el software proporcionado por el fabricante del sensor. Estas mediciones en tiempo real nos permitieron identificar las condiciones óptimas para generar aldehídos con nuestro atomizador neumático. Para proteger el sensor del aerosol, se colocaba en una pequeña caja que permitía el intercambio de aire ambiente a través de una membrana de tamaño poro pequeño que cubría un agujero en la caja (mientras bloqueaba las gotas en aerosol).
Análisis estadístico
Se utilizaron diagramas de caja para visualizar las distribuciones de las concentraciones medidas de metales y aldehídos en aerosoles y e-líquidos (Figura 2). Para obtener una idea de la concentración total de aldehídos y metales de una muestra de aerosol, agregamos los datos. Sumamos las concentraciones de los nueve metales medidos para determinar una concentración "total" de metales. De manera similar, sumamos las concentraciones de los once aldehídos medidos para determinar una concentración "total" de aldehídos. Todos los análisis estadísticos se realizaron utilizando la versión 4.3.3 del software R. Las diferencias en las concentraciones de metales entre diferentes aerosoles y e-líquidos se analizaron mediante la prueba T. Cuando los valores p eran inferiores a 0,05, las diferencias se consideraron significativamente diferentes.
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Resultados
Explorando las condiciones que favorecen la formación de aldehídos
Los aerosoles se generaron en cuatro fases. Al principio, utilizamos el atomizador neumático para generar aerosoles a partir de la solución PG/VG a 50 °C y 100 °C, y utilizamos el cigarrillo electrónico "Mod" para generar aerosol a partir del e-líquido comercial a 30 W y 50 W de potencia operativa. Según determinó el LC-MS/MS, los niveles totales de aldehído fueron mucho más bajos en los aerosoles PG/V...
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Discusión
La concentración total de aldehídos (11 aldehídos) de aerosoles que generamos con el atomizador neumático a partir de e-líquido comercial a una temperatura de 200 °C fue del orden de las medidas en aerosoles de un dispositivo Mod operado a 30 o 50 W. En particular, la acroleína se produjo en los niveles altos observados en los aerosoles reales de los cigarrillos electrónicos. Sin embargo, los niveles de formaldehído no coincidían con los observados en los aerosoles de los cigarrillos ele...
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Divulgaciones
Todos los autores declaran que no hay conflictos de interés.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por subvenciones del NIH R01ES032954 y P30ES009089.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Agilent 8900 ICPMS | Agilent | https://www.agilent.com/en/product/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/8900-triple-quadrupole-icp-ms? | |
| Estándares de aldehído/cetona y DNPH y nbsp; | Supelco | ERA-028 | |
| Software de analistas & nbsp; | Sciex | Versión 1.6.2 | |
| columna C18 | Kinetex | https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN | 1.7 & micro; m |
| Atomizador tipo colisión | TSI | Modelo 3076 | |
| E-líquido comercial | Beyondvape, Baldwin Park, California, EE. UU. | Vixena ballena pálida' s Kiss | Comprado con un contenido de nicotina del 6% |
| Sensor electroquímico | Sensirion | SFA30 | |
| Tubería de PTFE a temperaturas extremas y nbsp; | McMaster-Carr | 5239K12 | Tubo de plástico duro para temperaturas extremas para productos químicos, teflón semitransparente y reg; Plástico PTFE sin franja, diámetro interior de 3/16", diámetro exterior de 1/4" y pendura; |
| Suministro de aire filtrado | TSI | Modelo 3074B | |
| Cinta térmica y cinta térmica; | BriskHeat | TBIH051-020LD | Cinta térmica de doble elemento, aislante de tela, 2 pulgadas x 1/2 pulgada, 156 vatios |
| Tubería de silicona de alta temperatura y nbsp; | Quickun | Tubo de silicona pura, diámetro interior de 1/16", diámetro exterior de 1/8" | |
| Mars 6 | CEM | https://cem.com/mars-6 | |
| Placa microcontrolador | Arduino | Arduino Uno Rev3 | |
| Mod cigarrillo electrónico | Eleaf Electronics Co., Ltd., Ciudad de Shenzhen, China | iStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 y Omega; bobina | |
| Multicuantitivo | Sciex | Versión 3.0.3 | |
| NexION 350S ICPMS | Perkin Elmer | NexION 350S | |
| Ácido nítrico y nbsp; | Fisher Chemical | Optima | Calificación de Análisis Ultraelemental Traza |
| Detector de temperatura de resistencia al platino | Adafruit | PT1000 | |
| Sistema Qtrao 6500 LC-MS/MS | Sciex | https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system | Espectrómetro de masas en tándem |
| Shimadzu LC | Shimadzu | https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html |
Referencias
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