Ici, nous établissons que l’aérosolisation d’un e-liquide commercial par un atomiseur pneumatique à 200 °C fournit un aérosol réduit en métal dont les niveaux d’aldéhyde sont comparables à ceux des aérosols réels des cigarettes électroniques.
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Article de recherche
Génération d’aérosols fortement réduits en métal mais riches en aldéhyde pour les études de toxicité des cigarettes électroniques
Dans cet article
Résumé
Résumé
Lorsque l’e-liquide est aérosolisé dans une cigarette électronique pour inhalation par l’utilisateur, l’aérosol est contaminé par un mélange de toxiques, dont des métaux et des aldéhydes. Une méthode pour générer un aérosol de cigarette électronique avec une forte teneur en aldéhyde mais faible teneur en métal est insuffisante, mais est nécessaire pour démêler les effets indépendants potentiels versus les interactions toxicologiques de l’exposition à l’aldéhyde et aux métaux provenant des mélanges d’aérosols de cigarettes électroniques.
L’objectif de cette étude était de mettre en place une méthode pour générer des aérosols riches en aldéhyde à partir des e-liquides, qui ne présentent cependant pas la forte contamination métallique typiquement présente dans les aérosols des cigarettes électroniques. Pour aérosoliser le e-liquide à des températures favorisant la formation d’aldéhyde (jusqu’à 200 °C), un atomiseur pneumatique était chauffé de l’extérieur. Un mélange pur de propylène glycol/glycérine végétale (PG/VG) et un e-liquide commercial ont été aérosolisés. Des aérosols ont été analysés pour détecter des substances toxiques connues associées à la cigarette électronique, dont 11 aldéhydes à l’aide de chromatographie liquide-spectrométrie de masse tandem et 9 métaux (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) à l’aide de la spectrométrie de masse plasma à couplage inductif.
Les niveaux d’aldéhyde dans les aérosols provenant de l’atomiseur pneumatique n’atteignaient ceux d’un aérosol de cigarette électronique réelle que si le liquide commercial était aérosolisé à 200 °C. Les niveaux de métal dans les aérosols provenant de l’atomiseur pneumatique étaient alors au moins 8 fois inférieurs à ceux des aérosols d’une cigarette électronique provenant d’un dispositif « Mod » opérant à 50 W. Les niveaux de Cu, Ni et Pb étaient particulièrement bas sur tous les échantillons d’aérosols, avec certains niveaux en dessous de la limite de détection de la méthode (MDL).
L’aérosolisation d’un e-liquide commercial par un atomiseur pneumatique à 200 °C produit un aérosol faible en niveaux métalliques (notamment Ni, Cu, Pb), mais avec des niveaux d’aldéhyde comparables à ceux d’un aérosol de cigarette électronique réel.
Introduction
Aux États-Unis, les cigarettes électroniques sont le produit du tabac le plus couramment utilisé chez les jeunes ; En 2024, 5,9 % des élèves ont déclaré utiliser des cigarettesélectroniques 1. C’est un problème de santé publique car les aérosols des cigarettes électroniques, inhalés par les utilisateurs de cigarettes électroniques, contiennent une large gamme de substances toxiques qui, à l’inhalation, peuvent avoir divers effets néfastessur la santé 2. Certains produits chimiques toxiques contenus dans les aérosols peuvent non seulement provenir de la formulation originale du e-liquide, mais aussi être introduits lors de l’utilisation de l’appareil. Par exemple, les métaux s’échappent de la bobine de chauffage métallique utilisée pour aérosoliser le e-liquide par le processus de dissolution et d’évaporation dansl’aérosol 3. En revanche, la plupart des aldéhydes présents dans l’aérosol des cigarettes électroniques sont formés à partir des ingrédients de base des e-liquides, du propylène glycol (PG) et de la glycérine végétale (VG), lorsque la température du e-liquide est augmentée jusqu’au point d’ébullition du e-liquide dans le but d’aérosolisation4.
La présence de métaux et d’aldéhydes dans les aérosols des cigarettes électroniques est particulièrement préoccupante car plusieurs d’entre eux sont toxiques, notamment pour le cerveau et d’autres organes. Par exemple, les métaux plomb (Pb), manganèse (Mn), cuivre (Cu), fer (Fe), nickel (Ni) et chrome (Cr) sont des neurotoxiques connus qui s’accumulent dans le cerveau des souris exposées à l’aérosol de la cigarette électronique, à des niveaux précédemment décrits comme causant des effetsneurotoxiques 5. Une exposition élevée à Mn et Pb, une surcharge de Fe dans le cerveau et un déséquilibre au Cu ont tous été associés à un risque accru de développement et/ou de progression de maladies neurodégénératives, par exemple la maladie de Parkinson (MP). Cette neurotoxicité induite par les métaux implique généralement des mécanismes cellulaires tels que le stress oxydatif dû à la surproduction des espèces réactives de l’oxygène (ROS), un dysfonctionnement mitochondrial, l’agrégation protéique et la neuroinflammation 6,7,8.
Les aldéhydes acroléine et formoldéhyde ont également été liés à laneurodégénérescence 9,10,11, pouvant entraîner des maladies neurologiques à apparition tardive telles que la MP. Comme le montre un modèle murin atteint de, l’accumulation d’aldéhyde peut être toxique en favorisant l’agrégation des protéines12, et les individus présentant une mutation de l’enzyme responsable de la conversion de l’acétaldéhyde en acide acétique (ALDH2) peuvent présenter un risque plus élevé de maladied’Alzheimer 13. Bien qu’il soit connu que les métaux et les aldéhydes peuvent être neurotoxiques individuellement, on en sait moins sur leurs effets en tant que mélanges, et il semble assez difficile de démêler les effets indépendants et d’interaction de ces deux groupes chimiques dans le contexte de l’exposition aux aérosols de la cigarette électronique. Pour étudier correctement les effets toxicologiques liés à la classe chimique, la capacité est nécessaire à générer des aérosols simulés qui sont réduits en métaux par rapport aux aérosols d’une cigarette électronique de référence choisie, tout en correspondant à ses niveaux d’aldéhydes.
L’objectif de cet article est d’établir une méthode qui, comme dans une cigarette électronique, aérosolise le liquide électronique à haute température pour générer un aérosol riche en aldéhyde, qui cependant ne présente pas de contamination métallique substantielle, afin de fournir au domaine de la toxicologie un nouvel outil permettant de démêler les effets toxiques respectifs de ces substances chimiques dans les mélanges aérosols des cigarettes électroniques. Pour atteindre cet objectif, nous avons évité l’aérosolisation du liquide en utilisant une bobine chauffante métallique, qui aurait agi comme source de contamination métallique. À la place, nous avons utilisé un atomiseurpneumatique 14, chauffé à l’extérieur pour favoriser la formation d’aldéhydes à partir des e-liquides. Pour évaluer notre approche, nous avons comparé les niveaux d’aldéhyde et de métal dans les aérosols de l’atomiseur à ceux d’une cigarette électronique « Mod » utilisée pour exposer les rongeurs à l’aérosol de la cigarette électronique.
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Protocole
Installation de l’atomiseur pneumatique
Tous les matériaux utilisés dans l’étude sont listés dans le dossier Tableau des matériaux . Pour générer un aérosol simulé de cigarette électronique sans utiliser une bobine métallique chauffante qui libère des métaux, nous avons utilisé un atomiseur pneumatique commercial. Pour atteindre les températures élevées nécessaires à la formation d’aldéhyde, nous avons chauffé l’atomiseur pneumatique dans son ensemble en enroulant un ruban chauffant autour. À cette fin, nous avons desserré les deux vis qui fixent l’unité aérosol réelle à son support, de sorte que le ruban chauffant puisse être guidé à travers l’espace créé au lieu de l’enrouler autour du support. La température de l’atomiseur pneumatique était mesurée en fixant un détecteur de température de résistance au platine à sa surface extérieure, c’est-à-dire que la température du e-liquide n’était pas directement mesurée. La connexion thermique a été améliorée en appliquant une petite quantité de pâte thermique sur le détecteur. La température mesurée était lue par une carte microcontrôleur, qui contrôlait un relais fournissant au ruban chauffant une alimentation de ligne de 110 V si la température réelle était inférieure à une température cible (entre 50 °C et 200 °C). La figure 1 illustre la configuration expérimentale.
Les matériaux de tuyauterie nécessaires au fonctionnement de l’atomiseur pneumatique et initialement fournis par le fabricant ont dû être remplacés par des matériaux plus résistants à la température : 1) le tuyau d’alimentation liquide (PTFE de calibre 14) a été remplacé par un tube en silicone haute température (1/8 » de diamètre extérieur), 2) les sections de tubulure en polyéthylène de poids moléculaire élevé (1/4 » de diamètre extérieur) de la conduite de drainage du liquide excédentaire et l’alimentation d’air filtrée ont été remplacées par des tubes en plastique dur à température extrême (1/4 » de diamètre).
Figure 1 : Schéma de la configuration expérimentale. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
Fonctionnement de l’atomiseur pneumatique
Faire fonctionner l’atomiseur pneumatique en mode de recirculation par défaut pourrait entraîner une accumulation de métal dans le liquide en recirculation, qui est l’excès de liquide non aérosolisé qui s’écoule à travers l’excès de liquide et se déverse vers la bouteille de liquide pour retourner dans la bouteille de e-liquide. Pour éviter l’accumulation de métal associé dans l’aérosol généré, l’atomiseur pneumatique fonctionnait en mode non-recirculation, dans lequel l’excès de liquide s’écoulait dans une bouteille de déchets supplémentaire. L’air comprimé de la maison était filtré et séché avant d’être fourni à l’atomiseur via une alimentation d’air filtrée, qui comprend un pré-filtre coalescent, un filtre coalescent, un filtre à charbon et un séchoir à membrane pour éliminer les particules solides, les gouttelettes d’huile et d’eau, ainsi que la vapeur d’huile et d’eau. Selon le fabricant, la filtration finale au charbon retire 99,99995 % des particules > 100 nm de taille.
Collection d’aérosols
L’atomiseur pneumatique a été utilisé pour générer des aérosols soit à partir d’une solution PGG à 70 % vol / VG à 30 % vol, soit d’un e-liquide commercial réel contenant 6 % de nicotine que nous avions utilisé lors de recherchesprécédentes 15. Les niveaux d’aldéhyde et de métal des aérosols produits par l’atomiseur pneumatique ont été comparés à ceux des aérosols générés à partir du e-liquide commercial à l’aide d’une cigarette Mod, c’est-à-dire un dispositif modifiable pouvant être rempli de nouveau avec du e-liquide dont la puissance de fonctionnement peut être ajustée. Récemment, ce mod a été utilisé pour l’exposition chronique des rongeurs à l’aérosol produit à 30 W5. Dans cette étude, l’appareil fonctionnait à une puissance de 30 W ou 50 W.
Dans toutes les expériences, y compris celles avec l’atomiseur pneumatique et celles avec la cigarette électronique Mod, des échantillons d’aérosol ont été prélevés en triple exemplaire en utilisant la méthode développée par Olmedo et al.16 pour des analyses ultérieures de métaux et d’aldéhydes. Des échantillons d’aérosol ont été analysés pour 9 métaux (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) à l’aide de spectrométrie de masse plasma à couplage inductif (ICP-MS) et 11 aldéhydes (acétaldéhyde, acétone, acróline, benzaldéhyde, 2-butanone, butyraldéhyde, crotonaldéhyde, formaldéhyde, hexaldéhyde, propionaldéhyde, pentanal) par chromatographie liquide par spectrométrie de masse tandem (LC-MS/MS) (voir Fichier Supplémentaire 1 , Tableau Supplémentaire 1 et Tableau Supplémentaire 2 pour plus de détails). Le transfert potentiel de métal entre l’aérosol collecté et le système de tuyauterie collectrice n’était pas un problème, sauf pour le Zn.
Capteur électrochimique pour l’étude en temps réel des aldéhydes
Un capteur électrochimique à faible coût a été utilisé pour comparer en temps réel les concentrations d’aldéhydes en aérosol produites par différents e-liquides à différentes températures, permettant ainsi d’ajuster plus rapidement les conditions favorisant la génération d’aldéhydes par rapport à l’analyse hors ligne par LC-MS/MS. Ce capteur, selon le fabricant, mesure les concentrations de formaldéhyde avec une lecture maximale de 5 000 ppb. Le capteur pouvait être directement connecté à un ordinateur via un câble USB, et les concentrations de formaldéhyde pouvaient être observées en temps réel grâce à un logiciel fourni par le fabricant du capteur. Ces mesures en temps réel nous ont permis d’identifier les conditions optimales pour générer des aldéhydes avec notre atomiseur pneumatique. Pour protéger le capteur de l’aérosol, celui-ci était placé dans une petite boîte permettant l’échange de l’air ambiant à travers une membrane de petite taille de pore qui recouvrait un trou dans la boîte (tout en bloquant les gouttelettes d’aérosol).
Analyse statistique
Des diagrammes de boîte ont été utilisés pour visualiser la distribution des concentrations mesurées de métal et d’aldéhyde dans les aérosols et les e-liquides (Figure 2). Pour avoir une idée de la concentration globale d’aldéhyde et de métaux d’un échantillon d’aérosol, nous avons agrégé les données. Nous avons sommé les concentrations des neuf métaux mesurés pour déterminer une concentration « totale » de métaux. De même, nous avons sommé les concentrations des onze aldéhydes mesurés pour déterminer une concentration « totale » d’aldéhyde. Toutes les analyses statistiques ont été réalisées à l’aide de la version 4.3.3 du logiciel R. Les différences de concentrations de métaux entre différents aérosols et e-liquides ont été analysées par test T. Lorsque les valeurs p étaient inférieures à 0,05, les différences étaient considérées comme significativement différentes.
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Résultats
Exploration des conditions favorisant la formation d’aldéhydes
Les aérosols ont été générés en quatre phases. Au début, nous utilisions l’atomiseur pneumatique pour générer des aérosols à partir de la solution PG/VG à 50 °C et 100 °C, et nous utilisions la cigarette électronique « Mod » pour générer un aérosol à partir du e-liquide commercial à 30 W et 50 W de puissance de fonctionnement. Selon le LC-MS/MS, les niveaux totaux d’aldéhyde étaient beaucoup plus faibles d...
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Discussion
La concentration totale d’aldéhydes (11 aldéhydes) d’aérosols générés avec l’atomiseur pneumatique à partir d’un e-liquide commercial à une température de 200 °C était de l’ordre de celles mesurées en aérosols provenant d’un dispositif Mod fonctionnant à 30 ou 50 W. En particulier, l’acroléine se manifestait aux niveaux élevés observés dans les aérosols réels des cigarettes électroniques. Cependant, les niveaux de formaldéhyde ne correspondaient pas à ceux observés dans les aérosols des ...
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Déclarations de divulgation
Tous les auteurs déclarent ne pas avoir de conflit d’intérêts.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par des subventions du NIH R01ES032954 et P30ES009089.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| 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 ? | |
| Normes aldéhyde/cétones-DNPH & nbsp ; | Supelco | ERA-028 | |
| Analyst software & nbsp ; | Sciex | Version 1.6.2 | |
| Colonne C18 ; | Kinetex ; | https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN | 1.7 & micro ; m |
| Atomiseur de type collision ; | TSI ; | Modèle 3076 | |
| E-liquide commercial | Beyondvape, Baldwin Park, Californie, États-Unis | Vilaine Baleine Pâle s Kiss | Acheté avec une teneur en nicotine de 6 % |
| Capteur électrochimique ; | Sensirion | SFA30 | |
| Tubes PTFE à température extrême & nbsp ; | McMaster-Carr | 5239K12 | Tubes en plastique dur à température extrême pour produits chimiques, Téflon semi-transparent & reg ; Plastique PTFE sans bande, diamètre intérieur de 3/16 », diamètre extérieur de 1/4 », etc. |
| Alimentation en air filtré | TSI ; | Modèle 3074B | |
| Ruban chauffant ; | BriskHeat | TBIH051-020LD ; | Ruban chauffant à double élément, isolé en tissu, 2 pouces x 1/2 pouce, 156 watts |
| Tubes en silicone haute température & nbsp ; | Quickun ; | Tube en silicone pur, diamètre 1/16 », diamètre extérieur 1/8 » | |
| Mars 6 | CEM | https://cem.com/mars-6 | |
| Carte microcontrôleur | Arduino | Arduino Uno Rev3 | |
| Mod e-cigarette ; | Eleaf Electronics Co., Ltd., Shenzhen City, Chine | iStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 et Omega ; coil ; | |
| Multiquant | Sciex | Version 3.0.3 | |
| NexION 350S ICPMS ; | Perkin Elmer & nbsp ; | NexION 350S | |
| Acide nitrique ; | Fisher Chemical | Optima | Analyse Ultra-Trace Elemental de qualité |
| Détecteur de température à résistance au platine & nbsp ; | Adafruit | PT1000 | |
| Système Qtrao 6500 LC-MS/MS | Sciex | https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system | Spectromètre de masse tandem |
| Shimadzu LC ; | Shimadzu | https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html |
Références
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