Qui stabiliamo che l'aerosolizzazione di un liquido commerciale da parte di un atomizzatore pneumatico a 200 °C fornisce un aerosol ridotto in metallo con livelli di aldeide paragonabili a quelli riscontrati negli aerosol reali delle sigarette elettroniche.
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Articolo di ricerca
Generazione di aerosol sostanzialmente ridotto in metalli ma ricco di aldeide per studi sulla tossicità delle sigarette elettroniche
In questo articolo
Sommario
Abstract
Quando l'e-liquido viene aerosolizzato in una sigaretta elettronica per l'inalazione da parte dell'utente, l'aerosol viene contaminato da una miscela di tossici, inclusi metalli e aldeidi. Manca un metodo per generare aerosol per sigarette elettroniche con alto contenuto di aldeide ma basso contenuto di metalli, ma è necessario per districare i potenziali effetti indipendenti rispetto alle interazioni tossicologiche dell'esposizione ad aldeide e metalli dalle miscele di aerosol delle sigarette elettroniche.
L'obiettivo di questo studio era stabilire un metodo per generare aerosol ricchi di aldeide da e-liquidi che, tuttavia, non presentano la grande contaminazione metallica tipica degli aerosol delle sigarette elettroniche. Per aerosolizzare l'e-liquido a temperature che favoriscono la formazione di aldeide (fino a 200 °C), un atomizzatore pneumatico veniva riscaldato esternamente. Sia una miscela pura di glicole propilenico/glicerina vegetale (PG/VG) sia un liquido commerciale per e-liquidi sono stati aerosolizzati. Gli aerosol sono stati analizzati per tossici noti associati alle sigarette elettroniche, inclusi 11 aldeidi tramite cromatografia liquida-spettrometria di massa tandem e 9 metalli (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) tramite spettrometria di massa a plasma induttivamente accoppiata.
I livelli di aldeide negli aerosol provenienti dall'atomizzatore pneumatico raggiungevano quelli di un aerosol reale di una sigaretta elettronica solo se l'e-liquido commerciale veniva aerosolizzato a 200 °C. I livelli di metallo negli aerosol provenienti dall'atomizzatore pneumatico erano quindi almeno 8 volte inferiori rispetto agli aerosol delle sigarette elettroniche provenienti da un dispositivo "Mod" operato a 50 W. I livelli di Cu, Ni e Pb erano particolarmente bassi su tutti i campioni di aerosol, con alcuni livelli inferiori al limite di rilevamento del metodo (MDL).
L'aerosolizzazione di un liquido elettronico commerciale tramite un atomizzatore pneumatico a 200 °C produce aerosol bassi di metalli (in particolare Ni, Cu, Pb), ma con livelli di aldeide paragonabili a quelli riscontrati in un aerosol reale di una sigaretta elettronica.
Introduzione
Negli Stati Uniti, le sigarette elettroniche sono il prodotto del tabacco più comunemente usato tra i giovani; Nel 2024, il 5,9% degli studenti ha dichiarato di usare sigaretteelettroniche 1. Questa è una questione di salute pubblica perché gli aerosol delle sigarette elettroniche, inalati dagli utilizzatori di sigarette elettroniche, contengono un'ampia gamma di sostanze chimiche tossiche che, inalate, possono avere vari effetti negativisulla salute 2. Alcune sostanze chimiche tossiche negli aerosol possono non solo provenire dalla formulazione originale dell'e-liquido, ma anche essere introdotte durante l'uso del dispositivo. Ad esempio, i metalli si rilasciano dalla bobina metallica di riscaldamento utilizzata per aerosolizzare l'e-liquido attraverso il processo di dissoluzione ed evaporazionenell'aerosol 3. Al contrario, la maggior parte degli aldeidi presenti nell'aerosol delle sigarette elettroniche è formata dagli ingredienti base degli e-liquidi, glicole propilenico (PG) e glicerina vegetale (VG), quando la temperatura dell'e-liquido viene aumentata fino al punto di ebollizione dell'e-liquido per lo scopodell'aerosolizzazione 4.
La presenza di metalli e aldeidi negli aerosol delle sigarette elettroniche è particolarmente preoccupante perché molti di essi sono tossici, soprattutto per il cervello e altri organi. Ad esempio, i metalli piombo (Pb), manganese (Mn), rame (Cu), ferro (Fe), nichel (Ni) e cromo (Cr) sono noti neurotossici che si sono scoperti accumularsi nel cervello dei topi esposti a aerosol di sigarette elettroniche, a livelli precedentemente descritti come causatori di effettineurotossici 5. Un'elevata esposizione a Mn e Pb, sovraccarico di Fe nel cervello e squilibrio con il Cu sono stati tutti collegati a un rischio più alto di sviluppo e/o progressione di malattie neurodegenerative, ad esempio il morbo di Parkinson (PD). Questa neurotossicità indotta dai metalli coinvolge solitamente meccanismi cellulari come lo stress ossidativo dovuto a una sovraproduzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), disfunzione mitocondriale, aggregazione proteica eneuroinfiammazione 6,7,8.
Le aldeidi acroleina e formaldeide sono state anche collegate allaneurodegenerazione 9,10,11, potenzialmente portando a malattie neurologiche ad insorgenza tardiva come la DP. Come mostrato in un modello murino con PD, l'accumulo di aldeide può essere tossico favorendo l'aggregazioneproteica 12, e individui con una mutazione nell'enzima responsabile della conversione dell'acetaldeide in acido acetico (ALDH2) possono avere un rischio maggiore diAlzheimer 13. Anche se è noto che metalli e aldeidi possono essere neurotossici individualmente, si sa meno sui loro effetti come miscele, e sembra piuttosto difficile districare gli effetti indipendenti e di interazione di questi due gruppi chimici nel contesto dell'esposizione agli aerosol delle sigarette elettroniche. Per studiare correttamente gli effetti tossicologici legati alle classi chimiche, è necessaria la capacità di generare aerosol simulati che sono ridotti in termini di metallo rispetto agli aerosol di una sigaretta elettronica di riferimento selezionata, pur rispecchiando i suoi livelli di aldeide.
L'obiettivo di questo articolo è stabilire un metodo che, come in una sigaretta elettronica, aerosolizzi l'e-liquido ad alta temperatura per generare un aerosol ricco di aldeidi, che tuttavia non presenta una sostanziale contaminazione da metalli, per fornire al campo della tossicologia un nuovo strumento per districare i rispettivi effetti tossici di queste sostanze chimiche all'interno delle miscele di aerosol delle sigarette elettroniche. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo evitato di aerosolizzare l'e-liquido utilizzando una bobina metallica di riscaldamento, che avrebbe agito come fonte di contaminazione metallica. Invece, abbiamo utilizzato un atomizzatorepneumatico 14, riscaldato esternamente per favorire la formazione di aldeidi dai liquidi elettronici. Per valutare il nostro approccio, abbiamo confrontato i livelli di aldeide e metallo negli aerosol dell'atomizzatore con quelli di una sigaretta elettronica "Mod" che abbiamo usato per esporre i roditori agli aerosol delle sigarette elettroniche.
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Protocollo
Installazione dell'atomizzatore pneumatico
Tutti i materiali utilizzati nello studio sono elencati nel file Tabella dei Materiali . Per generare aerosol simulato per sigarette elettroniche senza utilizzare una bobina metallica di riscaldamento che rilascia metalli, abbiamo utilizzato un atomizzatore pneumatico commerciale. Per raggiungere le alte temperature necessarie a favorire la formazione di aldeide, abbiamo riscaldato l'atomizzatore pneumatico nel suo insieme avvolgendo intorno con un nastro riscaldante. A tal fine, abbiamo allentato le due viti che fissano l'aerosol vero e proprio al suo supporto, così che il nastro riscaldante potesse essere guidato attraverso la fessura risultante invece di avvolgerlo attorno al supporto. La temperatura dell'atomizzatore pneumatico veniva misurata collegando un rivelatore di temperatura a resistenza al platino sulla sua superficie esterna, cioè la temperatura dell'e-liquido non veniva misurata direttamente. La connessione termica è stata migliorata applicando una piccola quantità di pasta termica al rivelatore. La temperatura misurata veniva rilevata da una scheda microcontrollore, che controllava un relè per fornire al nastro riscaldante alimentazione di linea a 110 V se la temperatura effettiva era inferiore a una temperatura target (tra 50 °C e 200 °C). La Figura 1 mostra l'allestimento sperimentale.
I materiali per tubi necessari per far funzionare l'atomizzatore pneumatico e originariamente forniti dal produttore dovevano essere sostituiti con materiali più resistenti alla temperatura: 1) il tubo di alimentazione liquida (PTFE calibro 14) fu sostituito da tubo in silicone ad alta temperatura (1/8" di diametro esterno), 2) le sezioni di tubo in polietilene ad alto peso molecolare (1/4" di diametro esterno) della linea di drenaggio del liquido in eccesso e l'alimentazione d'aria filtrata furono sostituite da tubi in plastica dura a temperature estreme (diametro diametrale di 1/4").
Figura 1: Diagramma dell'allestimento sperimentale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Funzionamento dell'atomizzatore pneumatico
Azionare l'atomizzatore pneumatico nella modalità di ricircolazione predefinita potrebbe causare accumulo di metallo nell'e-liquido in ricircolazione, cioè l'e-liquido in eccesso non aerosolizzato che scorre attraverso il liquido in eccesso e poi torna nella bottiglia dell'e-liquido. Per prevenire l'accumulo di metallo associato nell'aerosol generato, l'atomizzatore pneumatico veniva azionato in modalità non di ricircolazione, in cui l'eccesso di e-liquido fluisce in una bottiglia di rifiuti aggiuntiva. L'aria compressa domestica veniva filtrata e essiccata prima di essere fornita all'atomizzatore tramite una fonte d'aria filtrata, che consiste in un prefiltro coalescente, un filtro coalescente, un filtro a carbone e un asciugatore a membrana per rimuovere particelle solide, gocce d'olio e acqua, e vapore e olio e acqua. Secondo il produttore, la filtrazione finale al carbonio rimuove il 99,99995% delle particelle > 100 nm di dimensione.
Collezione di aerosol
L'atomizzatore pneumatico veniva utilizzato per generare aerosol da una soluzione PGG 70%vol/VG al 30% vol, oppure da un liquido commerciale reale con contenuto di nicotina del 6% che abbiamo usato in ricercheprecedenti 15. I livelli di aldeide e metallo degli aerosol prodotti dall'atomizzatore pneumatico sono stati confrontati con quelli degli aerosol generati dall'e-liquido commerciale tramite una sigaretta elettronica Mod, cioè un dispositivo modificabile che può essere riempito con e-liquido e la cui potenza operativa può essere regolata. Recentemente, questo Mod è stato utilizzato per l'esposizione cronica di roditori all'aerosol prodotto da 30W 5. In questo studio, il dispositivo veniva operato con una potenza di 30 W o 50 W.
In tutti gli esperimenti, inclusi quelli con l'atomizzatore pneumatico e quelli con la sigaretta elettronica Mod, sono stati raccolti campioni di aerosol in triplicata utilizzando il metodo sviluppato da Olmedo et al.16 per analisi successive di metalli e aldeidi. I campioni di aerosol sono stati analizzati per 9 metalli (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) utilizzando spettrometria di massa a plasma induttivamente accoppiato (ICP-MS) e 11 aldeidi (acetaldeide, acetone, acroleina, benzaldeide, 2-butanone, butiraldeide, crotonaldeide, formaldeide, esaldeide, propionaldeide, pentanale) tramite cromatografia liquida spettrometria di massa tandem (LC-MS/MS) (vedi File Supplementare 1 , Tabella Supplementare 1 e Tabella Supplementare 2 per i dettagli). Il potenziale trasferimento di metallo tra l'aerosol raccolto e il sistema di tubi di raccolta non era un problema, tranne che per lo Zn.
Sensore elettrochimico per indagini in tempo reale sugli aldeidi
Un sensore elettrochimico a basso costo è stato utilizzato per confrontare in tempo reale le concentrazioni di aldeide di aerosol prodotte da diversi e-liquidi a diverse temperature, e così per poter regolare più rapidamente le condizioni favorevoli alla generazione di aldeidi rispetto all'analisi offline tramite LC-MS/MS. Quel sensore, secondo il produttore, misura le concentrazioni di formaldeide con una lettura massima di 5.000 ppb. Il sensore poteva essere collegato direttamente a un computer tramite un cavo USB, e le concentrazioni di formaldeide potevano essere visualizzate in tempo reale utilizzando il software fornito dal produttore del sensore. Queste misurazioni in tempo reale ci hanno permesso di identificare le condizioni ottimali per generare aldeidi con il nostro atomizzatore pneumatico. Per proteggere il sensore dall'aerosol, il sensore veniva inserito in una piccola scatola che permetteva lo scambio dell'aria ambientale attraverso una membrana di dimensioni piccole che copriva un foro nella scatola (bloccando le gocce dell'aerosol).
Analisi statistica
Sono stati utilizzati diagrammi a scatola per visualizzare la distribuzione delle concentrazioni misurate di metallo e aldeide in aerosol ed e-liquido (Figura 2). Per avere un'idea della concentrazione complessiva di aldeide e metallo di un campione di aerosol, abbiamo aggregato i dati. Abbiamo sommato le concentrazioni dei nove metalli misurati per determinare una concentrazione "totale" di metalli. Allo stesso modo, abbiamo sommato le concentrazioni degli undici aldeidi misurati per determinare una concentrazione "totale" di aldeidi. Tutte le analisi statistiche sono state effettuate utilizzando la versione software R 4.3.3. Le differenze nelle concentrazioni di metalli tra diversi aerosol e liquidi elettromagnetici sono state analizzate tramite t-test. Quando i valori p erano inferiori a 0,05, le differenze venivano considerate significativamente diverse.
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Risultati
Esplorare le condizioni che favoriscono la formazione di aldeidi
Gli aerosol sono stati generati in quattro fasi. All'inizio, abbiamo usato l'atomizzatore pneumatico per generare aerosol dalla soluzione PG/VG a 50 °C e 100 °C, e abbiamo utilizzato la sigaretta elettronica "Mod" per generare aerosol dal liquido commerciale a 30 W e 50 W di potenza operativa. Secondo l'analisi LC-MS/MS, i livelli totali di aldeide erano molto più bassi negli aerosol PG/VG rispetto agli ...
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Discussione
La concentrazione totale di aldeide (11 aldeidi) di aerosol generati con l'atomizzatore pneumatico da liquido commerciale a una temperatura di 200 °C era dell'ordine di quelle misurate in aerosol da un dispositivo Mod operato a 30 o 50 W. In particolare, l'acroleina si è verificata ai livelli elevati osservati negli aerosol reali delle sigarette elettroniche. Tuttavia, i livelli di formaldeide non corrispondevano a quelli osservati negli aerosol delle sigarette elettroniche. Nel compless...
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Dichiarazioni
Tutti gli autori dichiarano che non ci sono conflitti di interesse.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni NIH R01ES032954 e P30ES009089.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 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? | |
| Standard Aldeide/Chetone-DNPH | Supelco | ERA-028 | |
| Software per analisti & nbsp; | Sciex | Versione 1.6.2 | |
| Colonna C18 | Kinetex | https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN | 1.7 & micro; m |
| Atomizzatore di tipo collisione | TSI | Modello 3076 | |
| Liquido commerciale | Beyondvape, Baldwin Park, California, USA | Visiera Balena Pallida s Kiss | Acquistato con un contenuto di nicotina del 6% |
| Sensore elettrochimico | Sensirion | SFA30 | |
| Tubi PTFE a temperature estreme | McMaster-Carr | 5239K12 | Tubo in plastica dura a temperature estreme per prodotti chimici, Teflon semi-trasparente & reg; Plastica PTFE senza strisce, diametro diametrale 3/16", diametro esterno 1/4", e nbsp; |
| Alimentazione d'aria filtrata | TSI | Modello 3074B | |
| Nastro riscaldante | BriskHeat | TBIH051-020LD | Nastro termico a doppio elemento, isolante in stoffa, 2 pollici x 1/2 pollice, 156 Watt |
| Tubi in silicone ad alta temperatura | Quickun | Tubo in silicone puro, diametro diametrale 1/16", diametro diametrale 1/8" | |
| Mars 6 | CEM | https://cem.com/mars-6 | |
| Scheda microcontrollore | Arduino | Arduino Uno Rev3 | |
| Mod e-cigarette | Eleaf Electronics Co., Ltd., Città di Shenzhen, Cina | iStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 e Omega; coil | |
| Multiquant | Sciex | Versione 3.0.3 | |
| NexION 350S ICPMS | Perkin Elmer | NexION 350S | |
| Acido nitrico | Fisher Chemical | Optima | Grado di Analisi Ultra-Elementale Trace |
| Rivelatore di temperatura a resistenza al platino | Adafruit | PT1000 | |
| Sistema Qtrao 6500 LC-MS/MS | Sciex | https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system | Spettrometro di massa tandem |
| Shimadzu LC | Shimadzu | https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html |
Riferimenti
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