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研究記事

電子タバコ毒性研究のための、かなり金属還元されつつアルデヒドが豊富なエアロゾルの生成

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DOI:

10.3791/70694

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2026年5月15日

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1Department of Environmental Health Sciences, Columbia University, 2Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, 3Institute of Analytical Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Vienna

この記事について

サマリー

ここでは、200°Cで空気圧アトマイザーによる商業用電子リキッドのエアロゾル化により、実際の電子タバコエアロゾルに見られるアルデヒドレベルと同等の金属還元エアロゾルが得られることを明らかにしました。

要約

電子リキッドが電子タバコ内でエアロゾル化されて吸い込むと、そのエアロゾルは金属やアルデヒドを含む有毒物質の混合物によって汚染されます。高アルデヒドで金属含有量が低い電子タバコエアロゾルを生成する方法はまだ未解決ですが、電子タバコエアロゾル混合物からのアルデヒドと金属曝露の毒性学的相互作用に対する潜在的な独立的な影響を解明するために必要です。

本研究の目的は、電子タバコエアロゾルに通常見られる大きな金属汚染を伴わないリキッドからアルデヒド豊富なエアロゾルを生成する方法を確立することでした。アルデヒド生成を促進する温度(最大200°C)で電子液体をエアロゾル化するために、空気圧式アトマイザーを外部加熱しました。純粋なプロピレングリコール/植物性グリセリン(PG/VG)混合物と市販の電子リキッドの両方がエアロゾル化されました。エアロゾルは、液体クロマトグラフィー・タンデム質量分析法を用いて11種類のアルデヒドを、誘導結合プラズマ質量分析法を用いて9種類の金属(Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sr、V、Zn)を含む既知の電子タバコ関連有害物質を分析しました。

空気圧アトマイザーからのエアロゾル中のアルデヒド濃度が、市販の電子リキッドが200°Cでエアロゾル化された場合にのみ、実際の電子タバコエアロゾルのレベルに達しました。 空気圧アトマイザーからのエアロゾル中の金属レベルは、50Wで動作する「Mod」装置の電子タバコエアロゾルの少なくとも8分の1でした。Cu、Ni、Pbのレベルはすべてのエアロゾル試料で特に低く、一部は検出限界(MDL)を下回るレベルもありました。

200°Cで空気圧アトマイザーによる商業用電子リキッドのエアロゾル化は、金属含有量(特にNi、Cu、Pb)が少ないエアロゾルを生成しますが、実際の電子タバコエアロゾルに含まれるアルデヒドレベルと同等のレベルを持ちます。

概要

アメリカでは、電子タバコが若者の間で最も一般的に使われているタバコ製品です。2024年には5.9%の学生が電子タバコを使用していると報告しました。1.これは公衆衛生上の懸念事項です。なぜなら、電子タバコ利用者が吸入するエアロゾルには、吸入時にさまざまな有害な健康影響を引き起こす可能性のある幅広い有害化学物質が含まれているからです。エアロゾル中の一部の有害化学物質は、元の電子リキッド製剤から発生するだけでなく、機器使用中に導入されることがあります。例えば、電子リキッドをエアロゾル化するために使われる金属加熱コイルから金属が溶出し蒸発し、エアロゾルへ溶出・蒸発する過程で溶出します。対照的に、電子タバコエアロゾルに含まれるほとんどのアルデヒドは、電子リキッドの基底成分であるプロピレングリコール(PG)と植物性グリセリン(VG)から生成されます。これは、エアロゾル化のためにリキッドの沸点まで温度を上げることで形成されます。

電子タバコのエアロゾルに含まれる金属やアルデヒドの存在は特に懸念されます。なぜなら、これらの多くは特に脳や他の臓器に有害だからです。例えば、鉛(Pb)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)は、電子タバコのエアロゾルにさらされたマウスの脳内に蓄積する神経毒性物質として知られており、神経毒性を引き起こすと以前に説明されたレベルで知られています5。高MnおよびPb曝露、脳内のFe過負荷、Cuのバランスの乱れは、パーキンソン病(PD)などの神経変性疾患の発症および進行リスクの高まりと関連しています。この金属誘発性神経毒性は通常、活性酸素種(ROS)過剰産生による酸化ストレス、ミトコンドリア機能障害、タンパク質凝集、神経炎症などの細胞メカニズムに関与します。

アクロレインやホルムアルデヒドのアルデヒドは神経変性とも関連しており、PDなどの遅発性神経疾患を引き起こす可能性があります。PDマウスモデルで示されているように、アルデヒドの蓄積はタンパク質凝集を促進することで毒性を持つことがあり、アセトアルデヒドを酢酸に変換する酵素(ALDH2)に変異を持つ人はアルツハイマー病のリスクが高まる可能性があります。金属とアルデヒドが個別に神経毒性を持つことは知られているものの、混合物としての効果についてはあまり知られておらず、電子タバコのエアロゾル曝露の文脈でこれら二つの化学基の独立的な相互作用を解き明かすのは非常に困難なようです。化学品クラスに関連する毒性学的影響を適切に研究するためには、選定された参照電子タバコのエアロゾルと比較して金属還元されたアルデヒド濃度を合わせたシミュレーションエアロゾルを生成する能力が必要です。

本論文の目的は、電子タバコと同様に高温で電子リキッドをエアロゾル化してアルデヒド豊富なエアロゾルを生成する方法を確立し、金属汚染がほとんどないものの、毒性学分野に電子タバコエアロゾル混合物中のこれらの化学物質の有害影響を解明する新たなツールを提供することです。この目的を達成するため、金属加熱コイルを使用して電子液体のエアロゾル化を避けました。これは金属汚染の原因となるためです。代わりに、外部から加熱して電子リキッドからアルデヒド生成を促進する空気圧アトマイザー14を使用しました。私たちのアプローチを評価するために、アトマイザーからのエアロゾル中のアルデヒドと金属レベルを、げっ歯類に曝露させるために使用した「Mod」電子タバコの濃度を比較しました。

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プロトコル

空気圧アトマイザーの設置
研究で使用されるすべての材料は「 材料表 」ファイルに記載されています。金属加熱コイルを使わずに電子タバコエアロゾルを模擬生成するために、市販の空気圧アトマイザーを使用しました。アルデヒド生成を促進するために必要な高温を得るために、空気圧アトマイザー全体を加熱テープで巻き付けて加熱しました。そのために、エアゾルユニットをスタンドに固定している2本のネジを緩め、ヒートテープをスタンドに巻き付けるのではなく、隙間を通して通せるようにしました。空気圧アトマイザーの温度は、外表面にプラチナ抵抗温度検出器を取り付けることで測定され、つまりリキッドの温度は直接測定されませんでした。サーマル接続は、検出器に少量のサーマルペーストを塗布することで改善されました。測定温度はマイクロコントローラ基板によって読み取られ、リレーが制御して、実際の温度が目標温度(50°Cから200°Cの間)より低い場合、加熱テープに110Vのライン電力を供給しました。 図1 は実験装置を示しています。

空気圧アトマイザーを動作させるために必要なチューブ材料は、もともとメーカーから供給されていましたが、より耐温性の高い材料に置き換えられました。1) 液体供給チューブ(14ゲージPTFE)は高温シリコーンチューブ(外径1/8インチ)に交換され、2) 余剰液体排水ラインの高分子量ポリエチレンチューブ部分(1/4インチ内径)とろ過された空気供給は、極高温硬質プラスチックチューブ(外径1/4インチ)に交換されました。

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図1:実験装置の図。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

空気圧アトマイザーの操作
空気圧アトマイザーをデフォルトの再循環モードで操作すると、再循環中の電子リキッドに金属が蓄積する可能性があります。リキッドは余剰のエアロゾル化されていないリキッドで、余分な液体の排水口を通ってリキッドボトルに戻るものです。生成されたエアロゾルに金属が蓄積するのを防ぐため、空気圧アトマイザーは非再循環モードで運転され、過剰な電子液が添加された廃棄物ボトルに流れ込みます。家庭内の圧縮空気はろ過・乾燥され、フィルター付きの空気供給装置を通じてアトマイザーに供給されます。この空気は、凝縮プレフィルター、凝縮フィルター、カーボンフィルター、そして固形粒子、油や水の滴、油・水蒸気を除去するための膜乾燥機で構成されています。メーカーによると、最終的な炭素ろ過は100 nm>粒子の99.99995%を除去します。

エアロゾル収集
空気圧アトマイザーは、70%vol PG/30% vol VG溶液または、以前の研究で使用した6%ニコチン含有の市販電子液体からエアロゾルを生成するために使われました。空気圧アトマイザーで生成されるエアロゾルのアルデヒドおよび金属レベルは、Mod電子タバコ(リキッドを補充可能で動作出力を調整可能な改造可能な装置)を用いて市販の電子リキッドから生成されるエアロゾルと比較されました。最近では、このModが30W5で生成される電子タバコエアロゾルへの齧歯類の慢性曝露に使用されました。この研究では、装置は30Wまたは50Wの出力で動作しました。

空気圧アトマイザーを用いた実験やMod電子タバコを用いた実験を含め、エアロゾルサンプルはOlmedoらが開発した方法を用いて三重に採取し、その後の金属およびアルデヒド分析に用 いられました。エアロゾル試料は、誘導結合型プラズマ質量分析法(ICP-MS)と11種類のアルデヒド(アセトアルデヒド、アセトロン、アクロリン、ベンザルデヒド、2-ブタノン、ブチルデヒド、クロトンナルデヒド、ホルムアルデヒド、ヘキサルデヒド、プロピオナルデヒド、ペンタナール)を用いて、9種類の金属(Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sr、V、Zn)を液体クロマトグラフィータンデム質量分析法(LC-MS/MS)で分析しました(補 足ファイル1 および 補足表1および補足表2 参照)。詳細は。収集されたエアロゾルと収集チューブシステム間の金属移動の可能性は問題ありませんでしたが、Znは例外でした。

リアルタイムアルデヒド調査用の電気化学センサー
低コストの電気化学センサーを用いて、異なる電子液体から異なる温度で生成されるエアロゾルアルデヒド濃度をリアルタイムで比較し、オフラインのLC-MS/MS分析に比べてアルデヒド生成に適した条件をより迅速に調整できるようになりました。メーカーによると、そのセンサーはホルムアルデヒド濃度を測定し、最大値が5,000 ppbです。センサーはUSBケーブルでコンピュータに直接接続でき、センサーメーカーが提供するソフトウェアを使ってホルムアルデヒド濃度をリアルタイムで確認できました。これらのリアルタイム測定により、空気圧アトマイザーでアルデヒドを生成する最適な条件を特定することができました。エアロゾルからセンサーを保護するため、センサーは小さな箱に設置され、小さな孔径の膜を通して周囲の空気が交換され、その膜は箱の穴を覆い(エアロゾルの飛沫を遮断します)、

統計解析
ボックスプロットを用いて、エアロゾルおよび電子液中の金属およびアルデヒド濃度の分布を可視化しました(図2)。エアロゾルサンプルの全体的なアルデヒドと金属濃度を把握するために、データを集約しました。測定された9種類の金属の濃度を合計して「総」金属濃度を算出しました。同様に、測定された11種類のアルデヒド濃度を合計して「総」アルデヒド濃度を算出しました。すべての統計解析はRソフトウェアバージョン4.3.3を使用して実施されました。異なるエアロゾルや電子液体間での金属濃度の違いはtテストで解析されました。p値が0.05未満の場合、差は有意に異なると考えられました。

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結果

アルデヒド生成を促進する条件の探求
エアロゾルは4つの段階で生成されました。当初は、空気圧アトマイザーを使ってPG/VG溶液から50°Cおよび100°Cのエアロゾルを生成し、「Mod」電子タバコを使って市販のリキッドから30Wおよび50Wの動作出力でエアロゾルを生成しました。LC-MS/MSによって測定されたところ、PG/VGエアロゾルの総アルデヒド濃度は実際の電子タバコエアロゾルよりもはるかに低かった(図2A)。

これらの結果が研究所から返ってくるまでに数週間かかったため、電気化学センサーを使ってより高いエアロゾルホルムアルデヒド濃度が得られる条件を調査しました。空気圧アトマイザーの出口管から約2cm上方で測定されたホルムアルデヒド濃度は、それぞれ50°Cと80°Cで約50ppb、160ppbであることがわかりました。そのため、温度を100°Cおよび140°Cに上げました。これは、JaegersらがPGと

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ディスカッション

商業用リキッドから空気圧アトマイザーで生成したエアロゾルの総アルデヒド濃度(11アルデヒド)は、30〜50Wで動作するModデバイスで測定されたエアロゾルと同等でした。特に、アクロレインは実際の電子タバコエアロゾルで観察される高いレベルで検出されました。しかし、ホルムアルデヒドの濃度は電子タバコのエアロゾルで観察されたものと一致しませんでした。総じて、我々の研究で報告されたアルデヒドのレベルは、低ng/gから低μg/gのエアロゾル(補足図1にまとめられています)まで幅があり、他の研究で報告されたものとほぼ一致していますが、大部分は低い範囲に位置しています4,21。しかし、ここで報告されているアルデヒドレベルは、一部の研究で数百μg/g、ホルムアルデヒドで48 mg/gに達する乾燥パフ状態で報告される数値より数桁低いレベルです。

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開示事項

すべての著者は利益相反を一切認めていません。

謝辞

この研究はNIHの助成金R01ES032954およびP30ES009089によって支援されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Agilent 8900 ICPMS アジレント https://www.agilent.com/en/product/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/8900-triple-quadrupole-icp-ms?
アルデヒド/ケトン-DNPH基準およびnbsp;スペルコERA-028
アナリストソフトウェア サイエックスバージョン 1.6.2
C18列 キネテックス https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN1.7 & micro;m
衝突型アトマイザー TSI モデル3076
市販の電子リキッドビヨンドヴェイプ、ボールドウィンパーク、カリフォルニア州、アメリカ合衆国ペールホエール・ヴィクセンキス6%のニコチン含有量で購入されました
電気化学センサー センシリオンSFA30
極熱PTFEチューブ マクマスター・カー5239K12化学薬品用の極高温硬質プラスチックチューブ、セミクリアテフロンなど;ストライプなしのPTFEプラスチック、3/16インチ内径、外径1/4インチ、およびnbsp;
ろ過空気供給TSI モデル3074B
加熱テープ ブリスクヒートTBIH051-020LD デュアルエレメント、布断熱ヒートテープ、2インチ×1/2インチ、156ワット
高温シリコーンチューブ クイック 純粋なシリコンチューブ、内径1/16インチ、外径1/8インチ
火星6CEMhttps://cem.com/mars-6
マイクロコントローラ基板ArduinoArduino Uno Rev3
Mod e-cigarette エレアフ電子有限公司、中国、深圳市iStick Pico Plus、Melo 4S Tank、EC-A 0.3、Omega;コイル 
マルチクオンツサイエックスバージョン 3.0.3
NexION 350S ICPMS パーキン・エルマーとnbsp;ネクシオン350S
硝酸 フィッシャー・ケミカルオプティマウルトラトレース元素分析グレード
プラチナ抵抗温度検出器 アダフルーツPT1000
Qtrao 6500 LC-MS/MS システムサイエックスhttps://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-systemタンデム質量分析計
島津LC 島津https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html

参考文献

  1. Jamal, A., et al. Tobacco product use among middle and high school students - national youth tobacco survey, United States, 2024. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 73 (41), 917-924 (2024).
  2. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Public Health Consequences of e-Cigarettes. , The National Academies Press. US. (2018).
  3. Olmedo, P., et al. Metal concentrations in e-cigarette liquid and aerosol samples: The contribution of metallic coils. Environ Health Perspect. 126 (2), 027010(2018).
  4. Gillman, I. G., Pennington, A. S. C., Humphries, K. E., Oldham, M. J. Determining the impact of flavored e-liquids on aldehyde production during vaping. Regul Toxicol Pharmacol. 112, 104588(2020).
  5. Re, D. B., et al. Exposure to e-cigarette aerosol over two months induces accumulation of neurotoxic metals and alteration of essential metals in mouse brain. Environ Res. 202, 111557(2021).
  6. Gorell, J. M., et al. Occupational exposures to metals as risk factors for parkinson's disease. Neurology. 48 (3), 650-658 (1997).
  7. Gorell, J. M., et al. Occupational exposure to manganese, copper, lead, iron, mercury and zinc and the risk of parkinson's disease. Neurotoxicology. 20 (2-3), 239-247 (1999).
  8. Raj, K., Kaur, P., Gupta, G. D., Singh, S. Metals associated neurodegeneration in parkinson's disease: Insight to physiological, pathological mechanisms and management. Neurosci Lett. 753, 135873(2021).
  9. Matveychuk, D., Dursun, S. M., Wood, P. L., Baker, G. B. Reactive aldehydes and neurodegenerative disorders. Klinik Psikofarmakoloji Bulteni-Bulletin of Clinical Psychopharmacology. 21 (4), 277-288 (2011).
  10. Tulpule, K., Dringen, R. Formaldehyde in brain: An overlooked player in neurodegeneration. J Neurochem. 127 (1), 7-21 (2013).
  11. Jeong, M. S., Kang, J. H. Acrolein, the toxic endogenous aldehyde, induces neurofilament-l aggregation. BMB Rep. 41 (9), 635-639 (2008).
  12. Martinez, P. A., et al. Impaired aldehyde detoxification exacerbates motor deficits in an alpha-synuclein mouse model of parkinson's disease. Brain Behav. 13 (9), e3150(2023).
  13. Ohta, S., Ohsawa, I., Kamino, K., Ando, F., Shimokata, H. Mitochondrial Pathogenesis: From Genes and Apoptosis to Aging and Disease. , Springer. Berlin, Heidelberg. (2004).
  14. Liu, B. Y. H., Lee, K. W. An aerosol generator of high stability. American Industrial Hygiene Association Journal. 36 (12), 861-865 (1975).
  15. Zhao, D., et al. Metal concentrations in electronic cigarette aerosol: Effect of open-system and closed-system devices and power settings. Environ Res. 174, 125-134 (2019).
  16. Olmedo, P., Navas-Acien, A., Hess, C., Jarmul, S., Rule, A. A direct method for e-cigarette aerosol sample collection. Environ Res. 149, 151-156 (2016).
  17. Jaegers, N. R., Hu, W., Weber, T. J., Hu, J. Z. Low-temperature (< 200 °c) degradation of electronic nicotine delivery system liquids generates toxic aldehydes. Sci Rep. 11 (1), 7800(2021).
  18. Duell, A. K., Pankow, J. F., Gillette, S. M., Peyton, D. H. Boiling points of the propylene glycol + glycerol system at 1 atmosphere pressure: 188.6-292 °c without and with added water or nicotine. Chem Eng Commun. 205 (12), 1691-1700 (2018).
  19. Khlystov, A., Samburova, V. Flavoring compounds dominate toxic aldehyde production during e-cigarette vaping. Environ Sci Technol. 50 (23), 13080-13085 (2016).
  20. Chang, X., et al. The role of acrolein in neurodegenerative diseases and its protective strategy. Foods. 11 (20), 3203(2022).
  21. Farsalinos, K. E., et al. Aldehyde levels in e-cigarette aerosol: Findings from a replication study and from use of a new-generation device. Food Chem Toxicol. 111, 64-70 (2018).
  22. Wang, P., et al. A device-independent evaluation of carbonyl emissions from heated electronic cigarette solvents. PLoS One. 12 (1), e0169811(2017).
  23. Salazar, M. R., et al. Elevated toxic element emissions from popular disposable e‑cigarettes: Sources, life cycle, and health risks. ACS Cent Sci. 11 (8), 1345-1354 (2025).
  24. Aisi 304 Stainless Steel Properties: Tensile Yield Strength & Hardness. , World Material. At https://www.theworldmaterial.com/type-304-grade-stainless-steel/ (2025).
  25. Li, Y., et al. Impact of e-liquid composition, coil temperature, and puff topography on the aerosol chemistry of electronic cigarettes. Chem Res Toxicol. 34 (6), 1640-1654 (2021).
  26. Talih, S., et al. Hot wires and film boiling: Another look at carbonyl formation in electronic cigarettes. Chem Res Toxicol. 33 (8), 2172-2180 (2020).
  27. Do, E. K., et al. E-cigarette device type, source, and use behaviors of youth and young adults: Findings from the truth longitudinal cohort (2020-2021). Subst Use Misuse. 58 (6), 796-803 (2023).
  28. Jackson, S. E., Tattan-Birch, H., Shahab, L., Brown, J. Trends in long term vaping among adults in England, 2013-23: Population based study. BMJ. 386, e079016(2024).
  29. Jiang, N., Xu, S., Li, L., Cleland, C. M., Niaura, R. S. Use of electronic nicotine delivery system (ENDS) devices among U.S. youth and adults: Findings from the population assessment of tobacco and health study waves 1-5. Addict Behav. 139, 107588(2023).
  30. Technical guide for aerosol collection and considerations when testing e-vapour product technologies. , Report No. CORESTA Guide N° 25. Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco. (2024).
  31. Soulet, S., Sussman, R. A. Critical review of the recent literature on organic byproducts in e-cigarette aerosol emissions. Toxics. 10 (12), 714(2022).
  32. Floyd, E., Greenlee, S., Oni, T., Sadhasivam, B., Queimado, L. The effect of flow rate on a third-generation sub-ohm tank electronic nicotine delivery system-comparison of coresta flow rates to more realistic flow rates. Int J Environ Res Public Health. 18 (14), 7535(2021).
  33. Mcadam, K., et al. Use of social media to establish vapers puffing behaviour: Findings and implications for laboratory evaluation of e-cigarette emissions. Regul Toxicol Pharmacol. 107, 104423(2019).
  34. Soulet, S., Sussman, R. A. A critical review of recent literature on metal contents in e-cigarette aerosol. Toxics. 10 (9), 510(2022).

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