Method Article

Wytwarzanie aerozolu z papierosów elektronicznych przez urządzenie do waporyzacji maszynowej trzeciej generacji: zastosowanie do badań toksykologicznych

DOI:

10.3791/58095

⸱

August 25th, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Comparative Biomedical Sciences, School of Veterinary Medicine, Louisiana State University, 2Department of Environmental Sciences, College of the Coast & Environment, Louisiana State University, 3SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc.

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Na całym świecie rośnie liczba użytkowników elektronicznych papierosów (e-papierosów). Niewiele jednak wiadomo na temat skutków zdrowotnych wywoływanych przez wdychane aerozole do e-papierosów. W tym artykule opisano technikę wytwarzania aerozolu w e-papierosach odpowiednią do narażenia zwierząt i późniejszych badań toksykologicznych. Takie protokoły są wymagane do ustanowienia eksperymentalnie odtwarzalnych i znormalizowanych systemów ekspozycji na e-papierosy.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektroniczne papierosy (e-papierosy) wykorzystują ciepło do wytwarzania wdychalnego aerozolu z płynu (e-liquidu) składającego się głównie z humektantów, nikotyny i aromatyzujących substancji chemicznych. Wytwarzany aerozol zawiera drobne i ultradrobne cząstki oraz potencjalnie nikotynę i aldehydy, które mogą być szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Użytkownicy e-papierosów wdychają te aerozole, a dzięki trzeciej generacji urządzeń do e-papierosów kontrolują cechy konstrukcyjne (rezystancję i napięcie), a także wybór e-liquidów i profil zaciągania się. Są to kluczowe czynniki, które mogą znacząco wpłynąć na toksyczność wdychanych aerozoli. Badania nad e-papierosami są jednak trudne i złożone, głównie ze względu na brak ustandaryzowanych ocen oraz liczne różnorodność modeli i marek e-papierosów, a także aromatów i rozpuszczalników e-liquidów dostępnych na rynku. Rozważania te podkreślają pilną potrzebę harmonizacji protokołów badawczych dotyczących e-papierosów, począwszy od technik generowania i charakteryzowania aerozoli e-papierosów. Obecne badanie koncentruje się na tym wyzwaniu, opisując szczegółową technikę generowania aerozoli e-papierosów krok po kroku z określonymi parametrami eksperymentalnymi, które uważa się za realistyczne i reprezentatywne dla rzeczywistych scenariuszy narażenia. Metodologia podzielona jest na cztery sekcje: przygotowanie, ekspozycja, analiza poekspozycyjna oraz czyszczenie i konserwacja urządzenia. Przedstawiono reprezentatywne wyniki stosowania dwóch rodzajów e-liquidów i różnych napięć pod względem stężenia masowego, rozkładu wielkości cząstek, składu chemicznego i poziomu kotyniny u myszy. Dane te pokazują wszechstronność stosowanego systemu ekspozycji na e-papierosy, oprócz jego wartości dla badań toksykologicznych, ponieważ pozwala on na szeroki zakres scenariuszy narażenia kontrolowanych komputerowo, w tym zautomatyzowane reprezentatywne profile topograficzne waporyzacji.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bezpieczeństwo związane z używaniem elektronicznych papierosów (e-papierosów) jest przedmiotem aktywnej debaty w społeczności naukowej. Z jednej strony producenci i sprzedawcy reklamują potencjalne korzyści płynące z e-papierosów jako produktu redukującego szkody dla obecnych palaczy, ze względu na eliminację wielu szkodliwych substancji obecnych w konwencjonalnych papierosach, podczas gdy decydenci polityczni w dziedzinie zdrowia publicznego są zaniepokojeni brakiem danych na temat długotrwałego narażenia zdrowia ludzkiego1,2. E-papierosy służą co najmniej dwóm różnym celom: 1) jako zastępczy nośnik nikotyny i 2) jako urządzenie do rzucania palenia3. Według Centers for Disease Control and Prevention (CDC) w 2014 roku ponad 9 milionów dorosłych Amerykanów regularnie używało e-papierosów. Od 2013 do 2014 roku używanie e-papierosów wśród uczniów szkół średnich wzrosło o ponad 300%4. Biorąc pod uwagę rosnące wykorzystanie e-papierosów zarówno wśród młodzieży, jak i dorosłych1,2,4, a także biorąc pod uwagę popularne, ale nieudowodnione, twierdzenia o e-papierosach jako bezpieczniejszej alternatywie dla palenia, należy odpowiedzieć na kluczowe pytania naukowe, aby ustalić, czy używanie e-papierosów stanowi potencjalne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, w szczególności dla układu oddechowego1,2. Chociaż e-papierosy zostały po raz pierwszy skomercjalizowane w USA w 2007 roku, przeprowadzono tylko bardzo ograniczone badania nad wpływem ekspozycji na aerozol e-papierosów in vitro oraz na strukturę, funkcję i ogólny stan płuc5,6,7,8,9,10,11. W związku z tym dane in vitro, in vivo i epidemiologiczne są niezbędne, aby pomóc w ustanowieniu polityki publicznej i przepisów związanych z konsumpcją e-papierosów. Jednak opracowanie wiarygodnych i odtwarzalnych dowodów naukowych w tej rozwijającej się dziedzinie wymaga najpierw ustanowienia znormalizowanych reżimów zaciągania się e-papierosami i stworzenia powtarzalnych środowisk narażenia w warunkach laboratoryjnych, które odzwierciedlają spożycie przez ludzi.

Urządzenia do e-papierosów trzeciej generacji, dostępne na rynku, składają się z co najmniej jednej cewki grzewczej (atomizera) oraz baterii litowej. Regulator mocy urządzenia do e-papierosów może pracować przy różnych napięciach. Te urządzenia do e-papierosów posiadają również zbiornik, do którego wprowadzany jest płyn do e-papierosów (e-liquid). E-liquid, znany również jako e-sok, składa się głównie z nikotyny, aromatów i rozpuszczalników nośnikowych (humektantów), często glikolu propylenowego (PG), gliceryny roślinnej (VG) i wody. Ponieważ, według amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA), e-liquidy składają się z mieszaniny "ogólnie uważanych za bezpieczne" (GRAS) dodatków do żywności dodatków do żywności i humektantów oraz nikotyny, można je uznać za bezpieczne w żywności. Jednak gdy te płynne preparaty są waporyzowane przez urządzenie do e-papierosów, są one podgrzewane przez atomizer, który zmienia właściwości fizykochemiczne e-liquidu i wytwarza aerozol lub parę zawierającą karbonyle, a dokładniej związki aldehydowe12,13. Aldehydy te powstają w wyniku termicznej degradacji i utleniania glikoli, co również powoduje powstawanie rodników hydroksylowych14,15,16,17. Te aldehydy, które są obecne w aerozolu e-papierosa podczas waporyzacji w określonych warunkach13, obejmują formaldehyd, aldehyd octowy, acetol, akroleinę, glicydol i diacetyl, z których wszystkie mają silny negatywny wpływ na zdrowie ludzkie, przy czym formaldehyd jest udowodnionym czynnikiem rakotwórczym dla ludzi15,16,17. Ponadto aerozol do e-papierosów również składa się z drobnych (250 - 950 nm)18,19 i ultradrobnych (44 - 97 nm)20 cząstek, o których wiadomo, że powodują toksyczność płucną poprzez mechanizmy zapalenia i stresu oksydacyjnego17. W zależności od składu e-liquidu, tj. procentowej zawartości poszczególnych składników w formulacji, a także napięcia przyłożonego do e-papierosa, które wpływa na temperaturę używaną do waporyzacji e-liquidu, całkowite stężenie cząstek stałych (TPM) w aerozolu będzie się różnić i spowoduje różne poziomy cząstek, a także stężenia aldehydów, które, jak wykazano, są produkowane w określonych warunkach waporyzacji19,21. Aerozole te są wdychane przez użytkowników e-papierosów, którzy kontrolują napięcie swojego urządzenia do e-papierosów. Wybór napięcia opiera się na osobistych preferencjach dotyczących szybkości dostarczania nikotyny, produkcji aerozolu i uczucia pieczenia12. W związku z tym konieczne jest lepsze zrozumienie charakterystyki tych aerozoli, aby dostarczyć dowodów naukowych dla odpowiednich przepisów regulujących politykę produkcji i konsumpcji e-papierosów i e-liquidów.

W kontekście badań naukowych, istnieje kilka kwestii, które należy rozwiązać związanych z 1) różnymi konfiguracjami urządzeń do e-papierosów i opcjami obsługi, z których użytkownicy e-papierosów mogą wybierać; 2) Brak ustandaryzowanych, reprezentatywnych profili topografii waporyzacji ludzi, które mogłyby być używane w warunkach eksperymentalnych22. Podkreśla to pilną potrzebę harmonizacji protokołów badawczych dotyczących e-papierosów, począwszy od technik generowania i charakteryzowania aerozoli e-papierosów22. Obecne badanie koncentruje się na tym wyzwaniu, opisując szczegółową technikę wytwarzania aerozoli e-papierosów krok po kroku, z określonymi parametrami eksperymentalnymi uważanymi za realistyczne i reprezentatywne dla rzeczywistych scenariuszy narażenia. Badanie to ma również na celu ocenę wpływu napięcia na stężenie TPM aerozolu e-papierosa, generowane za pomocą urządzenia do waporyzacji trzeciej generacji zintegrowanego z komercyjnym systemem ekspozycji sterowanym komputerowo skonfigurowanym do badań inhalacyjnych całego ciała myszy. Opis tego protokołu doświadczalnego, w tym wytwarzanie i charakterystyka aerozoli e-papierosów, może przyczynić się do ustanowienia reprezentatywnych znormalizowanych reżimów zaciągania się e-papierosami w warunkach laboratoryjnych dla późniejszych badań toksykologicznych.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Myszy były trzymane i traktowane zgodnie z Przewodnikiem NIH dotyczącym opieki i użytkowania zwierząt laboratoryjnych. Wszystkie procedury i protokoły z udziałem myszy zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Stanowego Luizjany. Poniższy opis jest specyficzny dla używanego sprzętu, jak określono w Tabeli Materiałów/Wyposażenia. Cały dopływ powietrza był filtrowany HEPA.

1. Przygotowanie

  1. Nauka i sprzęt
    1. Uzyskanie niezbędnych zgód (np. IACUC) i szkoleń na potrzeby badania.
    2. Ustaw sprzęt w odpowiednio wentylowanym miejscu i zapoznaj się z jego obsługą.
  2. Pomiary grawimetryczne
    1. Zważ czysty nowy filtr 25 mm. Zapisz wagę. Umieść filtr w kasecie.
    2. Umieścić kasetę z filtrem w jednej linii z osobistą pompą do pobierania próbek i przepływomierzem odpowiednim do sprawdzenia przepływu 1 l/min (l/min).
  3. Elektroniczny papieros
    1. Wkręć atomizer w podstawę zbiornika ( Rysunek 1).
      Uwaga: Dostępne są atomizery zawierające cewki o rezystancji 0,15, 0,5 lub 1,5 Ω.
    2. Krytyczny krok: Dodaj kilka kropli (2 do 3) płynu do e-papierosów do atomizera, aby upewnić się, że bawełna jest nasycona i nie spowoduje suchego oparzenia (Rysunek 2).
    3. Włóż tuleję zbiornika do zbiornika. Następnie przykręć podstawę zbiornika z atomizerem do tulei zbiornika ( Rysunek 1).
    4. Przykręć zmontowany zbiornik do jednostki e-papierosa. Upewnij się, że otwór zbiornika jest skierowany do góry i umieść pokrywę na miejscu na górze zbiornika (Rysunek 1).
    5. Umieść jednostkę e-papierosa na płycie podstawy, obracając ramię wgłębne zaworu elektromagnetycznego. Po umieszczeniu na miejscu obróć go z powrotem na miejsce, aby mógł zrównać się z przyciskiem spustowym na urządzeniu do e-papierosów.
    6. Podłącz koniec jednostki do e-papierosów do dolnej części skraplacza za pomocą nasadki zaworu dwudrogowego i kawałka rurki (Rysunek 3).
    7. Upewnij się, że górny koniec skraplacza jest prawidłowo podłączony do systemu wytwarzania aerozoli i komory ekspozycji aerozolu za pomocą odpowiednich przewodów.
    8. Krok krytyczny: Sprawdź, czy przyrząd do pomiaru stężenia aerozolu jest na swoim miejscu przy wyjściu z komory ekspozycji aerozolowej.
    9. Krytyczny krok: Zdejmij pokrywę zbiornika i napełnij go 10 ml płynu do e-papierosów. Wymień pokrywę zbiornika.
      Uwaga: Ta objętość wystarcza na 2-godzinny okres ekspozycji.

2. Ekspozycja

  1. Podłączenie oprogramowania
    1. W dniu eksperymentu włącz komputer. Pamiętaj również, aby włączyć przyrząd do pomiaru stężenia aerozolu, ręcznie naciskając przycisk zasilania.
    2. Uruchom oprogramowanie operacyjne. Kliknij Sesja eksperymentalna. Wybierz odpowiednie badanie. Wybierz szablon eksperymentu z e-papierosem.
    3. W oknie Nowy eksperyment wprowadź nazwę sesji eksperymentalnej. W oknie Właściwości eksperymentu wpisz inicjały operatora w polu operatora. Kliknij przycisk OK.
  2. Kalibracja kanałów
    1. Postępuj zgodnie z instrukcjami kreatora kalibracji, aby odpowiednio skalibrować system generowania aerozolu.
      1. Krok 1: Kliknij Dalej w oknie Kalibracja kanału po potwierdzeniu, że w polu przyrządu do pomiaru stężenia aerozolu (MicroDust Pro) znajduje się znacznik wyboru.
      2. Krok 2: W oknie Zastosuj wartość kliknij Dalej. Krok 3: Wprowadź wartość docelową jako 0 g/m3. Krok 4: Umieść wkładkę kalibracyjną w kształcie litery T w gnieździe, aby zakończyć proces kalibracji i naciśnij Dalej, aby przejść do następnego okna.
      3. Wprowadź wartość odczytaną na przyrządzie do pomiaru stężenia aerozolu. Po wprowadzeniu tej wartości naciśnij przycisk Dalej. Przejrzyj okno wyników kalibracji i kliknij przycisk Dalej.
    2. Ostatni krok: W oknie Kalibracja zakończona kliknij przycisk Zakończ. W przypadku testu przepływu w systemie, w oknie testowym, przetestuj pompy 1 i 2 (patrz instrukcja obsługi).
    3. Potwierdź – "Czy chcesz rozpocząć ciągłe nagrywanie danych?", kliknij Tak. Potwierdź – "Czy chcesz uruchomić profil domyślny?", kliknij Tak.
  3. Narażenie na aerozol z papierosów elektronicznych
    1. W przypadku przeprowadzania badania inhalacyjnego in vivo, należy w tym czasie umieścić myszy w komorze (komorach) ekspozycyjnej całego ciała.
    2. Natychmiast przejdź do okna Profile i kliknij prawym przyciskiem myszy żądany profil, przewiń w dół do opcji Rozpocznij zadanie, aby zainicjować polaryzacyjny przepływ świeżego powietrza wewnątrz komory (komór ekspozycyjnych).
    3. Gdy będziesz gotowy do rozpoczęcia eksperymentu z generowaniem aerozolu i ekspozycją na e-papierosy, kliknij prawym przyciskiem myszy żądany profil w oknie profili, przewiń w dół do opcji Rozpocznij zadanie i kliknij lewym przyciskiem myszy, aby wybrać (Rysunek 4).
    4. Krok krytyczny: Zapisz stężenie zmierzone przez przyrząd do pomiaru stężenia aerozolu. Stężenie powinno wynosić > 0 mg/m3,
      Uwaga: Zasada działania urządzenia opiera się na detekcji optycznej i jest wykorzystywana w tym systemie w celu zapewnienia jakościowej oceny w czasie rzeczywistym poziomów ekspozycji w komorze.
    5. Upewnij się, że e-liquid jest dostępny w zbiorniku przez cały czas trwania ekspozycji.
    6. Aby zatrzymać eksperyment po osiągnięciu żądanego czasu ekspozycji, kliknij profil prawym przyciskiem myszy, przewiń w dół do opcji Zatrzymaj profil i kliknij lewym przyciskiem myszy, aby wybrać. Upewnij się, że przepływ odchylenia jest inicjowany natychmiast po zakończeniu profilu ekspozycji.
    7. Wyjmij obiekty (zwierzęta) z komory ekspozycyjnej i umieść je z powrotem w klatce i pomieszczeniu
      8. .

3. Analiza poekspozycyjna

  1. Pod koniec sesji eksperymentalnej zamknij oprogramowanie operacyjne i wyłącz urządzenie do pomiaru stężenia aerozolu.
  2. Odłącz kasetę z filtrem od pompy i zapisz czas jej wyjęcia. Umieścić filtr w eksykatorze i pozostawić filtr do wyschnięcia przez co najmniej 48 godzin (najlepiej 96 godzin). Następnie zważ filtr z nagromadzonymi cząstkami aerozolu z e-papierosów i zapisz wagę.
  3. Oblicz całkowite stężenie cząstek stałych (TPM) w przeliczeniu na masę na zaciągnięcie23.
    1. Zapisz masę zgromadzoną na filtrze. Obliczyć całkowitą objętość próbki pobranej w okresie narażenia, korzystając z czasu pobierania próbek i przepływu pompy.
    2. Podziel masę zebraną na filtrze przez objętość powietrza.
      Uwaga: Stężenie TPM jest wyrażone w jednostkach masy na objętość. Podziel stężenie TPM przez całkowitą liczbę zaciągnięć generowanych przez używany profil e-papierosa.

4. Czyszczenie i konserwacja

  1. Wylej e-liquid ze zbiornika na e-papierosa i opróżnij skraplacz za pomocą dołączonej strzykawki. Upewnij się, że cewka atomizera nie spaliła się podczas eksperymentu. Zmieniaj cewkę atomizera po każdym eksperymencie.
  2. Wyczyść pompy po każdym eksperymencie. Odłącz głowice pomp i wyjmij złącza i zawory. Zetrzyj nadmiar e-liquidu lub nagromadzoną wilgoć za pomocą bawełnianego wacika lub chusteczki.
  3. Wyczyść komory naświetlania całego ciała. Postępuj zgodnie z instrukcjami producenta i usuń skondensowany e-płyn ze wszystkich powierzchni.
    Uwaga: Zaleca się unikanie spożywania alkoholu, ponieważ może on spowodować nieodwracalne uszkodzenia.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tabela 1 pokazuje charakterystykę środowiska ekspozycji wewnątrz 5-litrowej komory na całe ciało po wytworzeniu aerozolu do e-papierosów. Dane te są wynikami 2-godzinnej sesji ekspozycji z samą bazą e-liquidów zawierających rozpuszczalniki nośnikowe, tj. stosunek 50/50 PG i VG przy braku aromatów lub nikotyny. Aerozol został wyprodukowany przez urządzenie do e-papierosów trzeciej generacji zasilane bateryjnie o rezystancji 0,5 Ω. Przetestowano łącznie siedem napięć e-papierosów z profilem topograficznym obejmującym objętość zaciągnięcia 70 ml, czas trwania zaciągnięcia się 3 sekundy i odstępy 1-minutowe. Zgodnie z oczekiwaniami, wzrost napięcia e-papierosów prowadzi do wyższych stężeń TPM aerozolu w używanej komorze ekspozycyjnej, zgodnie z obliczoną grawimetrycznie masą (mg) na zaciągnięcie. Jednak zmiany stężenia TPM przebiegają według nieco sigmoidalnego wzorca w badanym zakresie napięcia. Zależność między napięciem a stężeniem TPM jest początkowo liniowa od 1,8 do 3,2 V i wykazuje wykładniczy skok z późniejszym plateau między 3,2 a 4,8 V.

Rysunek 5 pokazuje wyniki fizycznej charakterystyki aerozoli e-papierosów w komorze ekspozycyjnej całego ciała. Liczba, stężenie i rozkład wielkości cząstek mierzono w różnych warunkach eksperymentalnych przy użyciu skanera wielkości cząstek. Szeroki zakres stężeń masowych i liczbowych, a także rozkładów wielkości cząstek, składających się głównie z drobnych i bardzo drobnych cząstek, można osiągnąć przy użyciu różnych predefiniowanych lub zdefiniowanych przez użytkownika automatycznych profili zaciągania się, które można regulować lub modyfikować za pomocą oprogramowania (Rysunek 6), a także opcji projektowania urządzeń do e-papierosów (tj., rezystancja cewki atomizera lub napięcie akumulatora). Wyniki te podkreślają wszechstronność systemu ekspozycji wykorzystywanego do symulacji, w warunkach eksperymentalnych, szerokiego zakresu możliwych profili topografii ludzkiego e-papierosa.

Na przykład, eksperymentalne środowisko ekspozycji na e-papierosy zostało stworzone na podstawie aktualnych informacji dotyczących osobistych preferencji konsumentów e-papierosów, a następnie zostało scharakteryzowane (Tabela 2). W tym przypadku urządzenie do e-papierosów zostało wyposażone w rozpylacz cewkowy o napięciu 0,5 Ω i działało pod napięciem 3,2 V. Zastosowany profil topograficzny składał się z objętości 55 ml zaciągnięcia, 3-sekundowego czasu trwania zaciągnięcia i 30-sekundowych interwałów, podczas gdy testowany e-liquid zawierał rozpuszczalniki nośnikowe (tj. PG i VG w stosunku 50/50), samodzielnie oraz w połączeniu z nikotyną 36 mg/ml o smaku cynamonowym (Tabela 2). W ciągu 2-godzinnego okresu ekspozycji, ten profil ekspozycji przyciąga większą liczbę zaciągnięć i pozwala na pobranie większej całkowitej objętości próbki w porównaniu z poprzednio stosowanym profilem 70 ml, 1 zaciągnięcie na minutę (odpowiednio 13 200 ml i 8 400 ml). W związku z tym w tym profilu topograficznym uzyskuje się mniejszą średnią masę cząstek stałych na zaciągnięcie dla tego samego napięcia i podobnej mocy (tabele 1, 2). Wyniki wydają się wskazywać, że obecność aromatu nikotyny i cynamonu w e-liquidzie może mieć negatywny wpływ na masę cząstek stałych na zaciągnięcie. Różnica między tymi dwoma warunkami eksperymentalnymi nie osiągnęła jednak poziomu istotności statystycznej.

Wyniki analizy chemicznej aerozolu e-papierosów wygenerowanego przy użyciu tego ostatniego profilu topografii (objętość zaciągnięcia 55 ml, czas trwania zaciągnięcia 3 s i odstępy 30 s) są pokazane w Tabeli 3 i Rysunek 7. Łącznie 82 zaciągnięcia aerozolem do e-papierosów wygenerowanym pod napięciem 3,2 V z e-liquidem składającym się ze stosunku 50/50 PG i VG, 36 mg/ml nikotyny i aromatu cynamonowego pobrano próbki na filtry na bazie krzemionki, które następnie wykorzystano do chemicznej charakterystyki emisji e-papierosów za pomocą technik GC/MS. Próbka ta została pobrana zaraz po kondensatorze. Analiza wykazała, że oprócz nikotyny i aldehydu cynamonowego, których się spodziewano, w aerozolu do e-papierosów zidentyfikowano inne związki, takie jak akroleina, katechol i benzotiazol. Te chemikalia są znanymi substancjami drażniącymi drogi oddechowe i pokazują złożoność składu aerozolu po podgrzaniu i aerozolu e-liquidu.

Oprócz charakterystyki fizykochemicznej aerozolu e-papierosów, zastosowany generator e-papierosów i system ekspozycji nadaje się również do ekspozycji zwierząt. Jak pokazano na Rysunek 8, stężenie kotyniny w surowicy, głównego metabolitu nikotyny, może być wykorzystane do monitorowania lub potwierdzania narażenia myszy na aerozol e-papierosów z e-liquidów zawierających nikotynę. W niniejszym przykładzie myszy wystawione na działanie aerozolu z e-papierosów wykazały znaczny wzrost stężenia kotyniny w surowicy.

figure-results-1
Rysunek 1. Generator e-papierosów zdekonstruowany widok. Zdjęcie przedstawia różne elementy składające się na generator e-papierosów (jednostka e-papierosa, podstawa zbiornika, atomizer, zbiornik, tuleja zbiornika, adapter rurki).

figure-results-2
Rysunek 2. Generator e-papierosów atomizer. Obraz miejsca, w którym należy umieścić płyn do e-papierosów w atomizerze.

figure-results-3
Rysunek 3. Ogólny widok e-papierosów. Na zdjęciu zmontowany generator e-papierosów wraz z przedłużeniem, w tym skraplacz.

figure-results-4
Rysunek 4. Oprogramowanie operacyjne generatora e-papierosów. Obraz przedstawia wybór profilu waporyzacji w oprogramowaniu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5. Reprezentatywna charakterystyka fizyczna aerozoli e-papierosów wytwarzanych przez generator e-papierosów trzeciej generacji w komorze o pojemności 5 litrów pokazuje (A) wpływ mocy urządzenia do e-papierosów (6-40 W) na warunki ekspozycji, które mogą być generowane oraz (B) że aerozole e-papierosów składają się z drobnych i ultradrobnych cząstek. Liczba cząstek, koncentracja i rozkład wielkości mierzone za pomocą skanera do pomiaru cząstek w zakresie mobilności. Parametry ekspozycji: rezystancja atomizera 0,5 Ω i napięcie wahające się od 1,8 do 4,8 V; waporyzacja w profilu topograficznym o czasie trwania zaciągnięcia wynoszącym 3 s, objętości zaciągnięcia 70 ml co 60 s lub czasie trwania zaciągnięcia wynoszącym 3 s, objętości zaciągnięcia 55 ml co 30 s; za pomocą e-liquidu składającego się z PG i VG w stosunku 50/50. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6. Za pomocą oprogramowania można tworzyć, regulować lub modyfikować automatyczne profile zaciągania. Obrazy przedstawiają jeden krok Kreatora tworzenia profilu, który służy do wprowadzania kluczowych czynników topografii waporyzacji, w tym objętości zaciągnięcia, czasu trwania zaciągnięcia, interwału zaciągnięć i profilu zaciągnięcia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-7
Rysunek 7. Spektrum wyników GC/MS dla aerozolu do e-papierosów. Jak opisano w Tabeli 3, aerozol do e-papierosów został wyprodukowany przy użyciu urządzenia do e-papierosów z atomizerem cewki 0,5 Ω ustawionym na waporyzację 3,2 V pod profilem topografii 55 ml objętości zaciągnięcia, czasu trwania zaciągnięcia 3 s i odstępów 30 s z e-liquidem składającym się w proporcji 50/50 PG i VG, 36 mg/ml nikotyny i aromatu cynamonowego. Próbkę 82 zaciągnięć aerozolu z e-papierosów pobrano zaraz po kondensatorze na filtr na bazie krzemionki, który następnie wykorzystano do analizy chemicznej techniką chromatografii gazowej - spektrometrii mas (GC/MS). (A) Całe spektrum; (B) Powiększenie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-8
Rysunek 8. Schemat systemu ekspozycji na e-papierosy do badań na zwierzętach. System inhalacji aerozolu z e-papierosami na całe ciało (A) jest odpowiedni do narażenia zwierząt, przy czym poziomy kotyniny u samców myszy BALB/C (B) narażonych na e-papierosy są porównywalne z poziomami narażenia na dym papierosowy w głównym nurcie. Poziomy kotyniny w grupie powietrznej 0,3-1,2 ng / ml. N = 6 na grupę, *p < 0,05. Test ELISA kotyniny u myszy/szczura. Parametry ekspozycji: rezystancja atomizera i napięcie baterii ustawione odpowiednio na 1,5 Ω i 4,2 V; waporyzacja w profilu topograficznym o czasie trwania zaciągnięcia 3 s i objętości zaciągnięcia 55 ml co 30 s; za pomocą e-liquidu składającego się z 36 mg/ml nikotyny, aromatu cynamonowego i proporcji 50/50 PG/VG. Myszy były wystawione na działanie stężenia TPM wynoszącego 0,12 ± 0,09 mg/zaciągnięcie aerozolem do e-papierosów przez 2 godziny/dzień przez 28 dni, podczas gdy kontrolne były wystawione na działanie przefiltrowanego powietrza. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Napięcie e-papierosa (V)Moc e-papierosów (W)Masa na zaciągnięcie (mg)izba Temperatura komory (oC)
Wilgotność względna (%)
1.86,3 ± 0,30,005 ± 0,00446,0 ± 3,323,7 ± 0,6
2.38,8 ± 0,10,009 ± 0,00527,8 ± 9,124,0 ± 0,6
Godzina 2,5510,6 ± 0,20,021 ± 0,00853,2 ± 1,223,2 ± 0,2
2.812,4 ± 0,30,061 ± 0,07351,3 ± 1,124,2 ± 0,6
3.215,8 ± 0,60,065 ± 0,01356,6 ± 2,323,1 ± 0,2
3.723,3 ± 0,60,741 ± 0,41751,2 ± 5,523,6 ± 0,5
Rozdział 4.840,4 ± 1,30,823 ± 0,19825,4 ± 7,723,7 ± 0,5

Tabela 1. Badane parametry urządzenia do e-papierosów i warunki ekspozycji w komorze naświetlającej o pojemności 5 l z atomizerem cewkowym 0,5 Ω. Profil topograficzny dla 2-godzinnej ekspozycji: objętość zaciągnięcia 70 ml, czas trwania zaciągnięcia 3 s i odstępy 1 minut, przy użyciu wyłącznie rozpuszczalników nośnikowych na bazie e-liquidu, tj. w proporcji 50/50 PG i VG. Wszystkie napięcia zostały przetestowane w trzech egzemplarzach (n = 3). Dane są wyrażone jako średnia ± odchylenie standardowe (SD).

Napięcie e-papierosa (V)Moc e-papierosów (W)E-płyn nikotynowy (mg/ml)Smak E-LiquiduMasa na zaciągnięcie (mg)izbaTemperatura komory (oC)
Wilgotność względna (%)
3.216,6 ± 0,20żaden0,273 ± 0,18447,4 ± 3,923,6 ± 0,2
3.215,9 ± 1,336cynamon0,102 ± 0,07859,6 ± 3,122,7 ± 0,2

Tabela 2. Badane parametry urządzenia do e-papierosów i warunki ekspozycji w komorze naświetlającej o pojemności 5 l z atomizerem cewkowym 0,5 Ω. Profil topograficzny dla 2-godzinnej ekspozycji: objętość zaciągnięcia 55 ml, czas trwania zaciągnięcia się 3 s i odstępy 30 s, przy użyciu 1) wyłącznie rozpuszczalników nośnikowych na bazie e-liquidu, tj. 50/50 w stosunku PG i VG oraz 2) bazy e-liquidu + nikotyny (36 mg/ml) i aromatu cynamonowego. Dwa e-liquidy przetestowano w trzech egzemplarzach (n = 3). Dane są wyrażone jako średnia ± SD.

Lista związków w aerozolu do e-papierosów
2-Propenal (akroleina)
7-Pentatriacontene
10-oktadecenalny
Benzotiazol
Katalizator
Aldehyd cynamonowy
Kwas etoksyoctowy
nikotyna
Waniliny

Tabela 3. Niewyczerpująca lista związków występujących w aerozolu do e-papierosów. Aerozol do e-papierosów został wyprodukowany przy użyciu urządzenia do e-papierosów z atomizerem cewki 0,5 Ω ustawionym na waporyzację 3,2 V pod profilem topograficznym 55 ml objętości zaciągnięcia, czasu trwania zaciągnięcia 3 s i 30 s odstępów z e-liquidem składającym się w proporcji 50/50 PG i VG, 36 mg/ml nikotyny i aromatu cynamonowego. Próbkę 82 zaciągnięć aerozolu z e-papierosów pobrano zaraz po kondensatorze na filtr na bazie krzemionki, który następnie wykorzystano do analizy chemicznej techniką chromatografii gazowej - spektrometrii mas (GC/MS).

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Głównym pytaniem bez odpowiedzi jest to, czy długotrwałe narażenie na aerozol z e-papierosów powoduje toksyczność płucną. Ponadto ogólne bezpieczeństwo e-papierosów w odniesieniu do zdrowia ludzkiego jest nadal przedmiotem kontrowersji. W sierpniu 2016 r. amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) rozszerzyła swoje uprawnienia regulacyjne dotyczące wszystkich wyrobów tytoniowych, w tym e-papierosów. Badania nad e-papierosami są jednak trudne i złożone, głównie ze względu na: 1) brak ustandaryzowanych ocen; 2) szeroka gama urządzeń do e-papierosów (~2 800 różnych modeli z 466 zidentyfikowanych marek)24; 3) ponad 7 700 unikalnych smaków e-liquidów24; 4) różne możliwe kombinacje proporcji humektantów. Biorąc pod uwagę złożoność tej dziedziny, w celu sprostania wyzwaniu i uzyskania solidnych dowodów naukowych konieczne jest staranne rozważenie warunków doświadczalnych i powtarzalnych procesów. W niniejszym badaniu skupiono się na opisie techniki generowania aerozolu z e-papierosów, która może umożliwić badaczom uzyskanie unikalnych zestawów danych związanych z realistycznymi i kompleksowymi konciągcjami efektów związanych z ekspozycją na aerozol e-papierosów. Mogą one mieć znaczenie w odpowiednim czasie, aby rozwiązać problemy związane z bezpieczeństwem lub toksycznością e-papierosów w celu ustanowienia przepisów dotyczących cech konstrukcyjnych e-papierosów, które potencjalnie mogą mieć bezpośredni wpływ na politykę zdrowia publicznego.

W niniejszym artykule wygenerowano znaczące środowiska ekspozycji przy użyciu sterowanego komputerowo systemu, który jest w stanie zintegrować najnowszą generację urządzeń do e-papierosów, a także umożliwia predefiniowane lub zdefiniowane przez użytkownika automatyczne profile zaciągania się i ustawione warunki pracy (np. stałe źródło zasilania, standardowe wartości rezystancji, napięcia lub temperatury). Te zautomatyzowane profile zaciągania się obejmują standardowe warunki: objętość zaciągnięcia 55 ml, czas trwania zaciągnięcia się 3 s, interwał zaciągnięcia 30 s i kwadratowy profil zaciągnięcia, z "Rutynowej maszyny analitycznej do generowania i zbierania aerozoli z e-papierosów – Definicje i warunki standardowe" dostarczonej przez zalecaną metodę Coresta (CRM) nr 8125 (Tabela 2). Ponieważ zastosowany system może generować różne zautomatyzowane profile zaciągania się, jest on również zgodny z wymaganiami normy ISO 20768 (Produkty parowe – Rutynowa analityczna maszyna do waporyzacji – Definicje i warunki standardowe)26. Zgodnie z oczekiwaniami, standardowe warunki reżimu zaciągania się e-papierosami różnią się od tych z normy ISO 330827, która określa standardowe warunki dla maszyn do palenia papierosów (objętość zaciągnięcia 35 ml, czas trwania zaciągnięcia się 2 s, interwał zaciągania się 60 s i profil zaciągnięcia się dzwonkiem). Te różnice między wzorcami palenia papierosów a wzorcami palenia e-papierosów wśród użytkowników są dobrze ugruntowane28. W niniejszym badaniu przedstawione przykłady i dane pokazują, że aerozole generowane przez ten system oraz urządzenie do e-papierosów trzeciej generacji z regulowanym napięciem wytwarzają wysokie stężenia TPM, sięgające odpowiednio do 0,27 i 0,82 mg na 55 i 70 ml zaciągnięcia. Aerozole z e-papierosów w tych stężeniach zostały pobrane zaraz po komorze ekspozycyjnej (Tabela 1-2, Rysunek 5). Wyniki pokazują również, że istnieje ponad 160-krotna różnica w masie cząstek stałych na zaciągnięcie się wytwarzane przy napięciach wahających się od 1,8 do 4,8 V (tabela 1). Ten zakres napięć jest charakterystyczny dla ustawień pracy urządzeń do e-papierosów na rynku amerykańskim, które pozwalają na zastosowanie napięcia w zakresie od 2,9 do 5,2 V29. Wyniki są również zgodne z wcześniej opublikowanymi danymi18,21, w których odnotowano wysokie poziomy TPM zebranego na wylocie generatora e-papierosów dla podobnych profili topografii (1,4 do 5,8 mg/zaciągnięcie). Krytyczne kroki w protokole obejmują dodanie kilku kropli e-liquidu do atomizera przed każdą sesją ekspozycji, aby upewnić się, że a) nie powstaje suche oparzenia; b) e-liquid jest dostępny w zbiorniku przez cały czas trwania ekspozycji; i sprawdź, czy aerozol e-papierosa jest generowany zgodnie z oczekiwaniami, wykonując regularne odczyty na urządzeniu do pomiaru stężenia w czasie rzeczywistym. Powszechnie wiadomo, że użytkownicy e-papierosów starają się unikać suchych zaciągnięć, które występują w warunkach suchego spalania. Ten stan parowania jest związany z powstawaniem wysokich poziomów aldehydów, w tym formaldehydu, znanego czynnika rakotwórczego i toksycznego dla układu oddechowego13,30. Dlatego kluczowe znaczenie ma zapewnienie, że ten stan zostanie uniknięty podczas ekspozycji. Wreszcie, jeśli chodzi o ekspozycję na nikotynę, myszy wystawione na działanie aerozolu e-papierosów z e-liquidu zawierającego nikotynę o stężeniu 36 mg / ml przez 2 godziny dziennie przez 28 dni (poziom 0,12 mg / zaciągnięcie) wykazały stężenie kotyniny w surowicy 91 ng / ml (ryc. 8); poziom podobny do palacza papierosów (> 100 ng/ml)31,32,33, który jest nawet niższy niż u osób regularnie używających e-papierosów (mediana kotyniny w ślinie wynosi 252 ng/ml)34. W badaniu topografii waporyzacji stwierdzono, że 235 to maksymalna liczba zaciągnięć dziennie przyjmowanych przez użytkowników e-papierosów35,36. Jest to bardzo podobne do naszego profilu ekspozycji, który wytwarza 1 zaciągnięcie co 30 sekund przez 2 godziny dziennie (łącznie 240 zaciągnięć). W ten sposób ten profil topograficzny vapingu modeluje codzienną konsumpcję i zachowanie użytkowników e-papierosów.

W ciągu ostatniej dekady urządzenia do e-papierosów ewoluowały od urządzeń pierwszej generacji, przypominających papierosy, jednorazowych urządzeń o niskim poborze mocy, do wyjmowanych i wielokrotnego napełniania urządzeń typu zbiornik drugiej generacji, a teraz do urządzeń typu zbiornikowego trzeciej generacji z konfigurowalnymi funkcjami24 dla 1) rezystancji cewki atomizera: elementu odpowiedzialnego za podgrzewanie e-liquidu, oraz 2) regulatora mocy, który a) może pracować przy różnych napięciach, b) wpływa na temperaturę elementu grzejnego i c) określa, czy temperatura wrzenia roztworu została osiągnięta24,37. Podczas używania e-papierosów e-liquid jest zwykle podgrzewany w temperaturze 200 °C lub wyższej38 i to właśnie w postaci aerozolu jego składniki wchodzą w interakcję z matrycami biologicznymi. Dlatego niezbędna jest charakterystyka aerozolu do e-papierosów. Rozpuszczalniki do e-liquidów różnią się lotnością w taki sposób, że roztwory składające się głównie z PG (70%), które są mniej lepkie i odparowują w niższej temperaturze37, wytwarzają aerozole o stosunkowo mniejszych cząstkach, które zwiększają odczucie "uderzenia w gardło" użytkownika20. Z drugiej strony, e-liquidy na bazie VG rozpylają się w wyższych temperaturach37 i wytwarzają aerozole o stosunkowo większych cząsteczkach, co z doświadczenia użytkownika zwiększa smak i ilość wytwarzanej pary 5,17,39. W związku z tym ustalono wcześniej, że stosunek PG/VG w e-liquidzie wpływa na rozkład wielkości cząstek obecnych w aerozolu do e-papierosów19,20. Jak pokazano na rysunku 5, przy użyciu e-liquidu o stosunku 50/50 PG/VG uzyskano aerozole do e-papierosów o medianie średnic ~ 100 nm. Wyniki te mieszczą się w tym samym zakresie, co te zgłoszone przez Baassiriego i wsp. 20. Sugeruje to, że oprócz bazy e-liquidu, na właściwości fizyczne wytwarzanych aerozoli mogą wpływać parametry ekspozycji, w tym ustawienia pracy e-papierosów (rezystancja, napięcie i moc) oraz profil zaciągania się. Co więcej, stężenie nikotyny i substancje smakowe dodane do bazy e-liquidu mogą również potencjalnie wpływać na właściwości fizykochemiczne aerozolu e-papierosów. Wcześniej wykazano, że e-liquid, który jest mniej lepki, wytwarza aerozol złożony z drobniejszych cząstek, co skutkuje mniej gęstą parą, co daje niższe stężenie TPM17. Stosując ten sam stosunek PG/VG dla obu testowanych e-liquidów, e-liquid zawierający 36 mg/ml nikotyny i aromatu cynamonowego, co oznacza, że jest bardziej rozcieńczony niż sama baza e-liquidu (PG/VG + nikotyna + smak cynamonowy w porównaniu z samym PG/VG), wydawał się mniej lepki niż e-liquid składający się wyłącznie z PG i VG. Widoczna różnica w lepkości między tymi dwoma e-liquidami może wyjaśniać różnicę w masie na zaciągnięcie uzyskaną przy równych ustawieniach waporyzacji e-papierosów (tabela 2). Jednak niższy TPM może nie korelować z mniej szkodliwym aerozolem, ponieważ należy również wziąć pod uwagę rozkład wielkości cząstek i charakterystykę chemiczną aerozolu. Rzeczywiście, degradacja termiczna VG i interakcje chemiczne składników e-liquidu powodują emisje szkodliwych aldehydów, w tym formaldehydu i aldehydu octowego, o których wiadomo, że stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego 15,17,40. Jak zauważono w tabeli 3, analiza chemiczna wyprodukowanego tu aerozolu do e-papierosów wykazała, że zawierał on również akroleinę, monochlorofenol, katochol i benzotiazol. Wszystkie są znanymi substancjami drażniącymi drogi oddechowe, podczas gdy katechol jest dodatkowo klasyfikowany jako potencjalnie rakotwórczy dla ludzi (grupa 2B) według Międzynarodowej Agencji Badań nad Rakiem (IARC)41,42,43. Zwiększa to efekty związane z chemią środka aromatyzującego zawartego w e-liquidzie. Na przykład wykazano, że aldehyd cynamonowy i diacetyl, dwa z substancji chemicznych o wysokim priorytecie aromatyzujących Stowarzyszenia Producentów Aromatów i Ekstraktów dla układu oddechowego, gdy są wdychane przez pracowników, upośledzają czynność płuc i powodują nieodwracalne uszkodzenie płuc (zarostowe zapalenie oskrzelików, czyli "płuca popcornu")44. Wykazano, że aldehyd cynamonowy jest wysoce cytotoksyczny in vitro 45,46,47 i jest bardzo popularny w e-liquidach 48. W obecnym badaniu stwierdzono obecność aldehydu cynamonowego w aerozolu e-papierosów z e-liquidu o smaku cynamonu (tabela 3 i ryc. 7). Ogólnie rzecz biorąc, pokazuje to potrzebę analizy aerozoli e-papierosów zarówno pod kątem właściwości fizycznych, jak i chemicznych.

Jak wspomniano powyżej, opisana tutaj technika naświetlania może być niezwykle wszechstronna. Może to pozwolić na modyfikację reżimu zaciągania się (za pomocą oprogramowania), funkcji obsługi urządzenia do e-papierosów, a nawet rodzaju komory ekspozycyjnej (tylko nos i całe ciało) (za pomocą sprzętu). Daje to badaczowi pełną elastyczność w dostosowywaniu lub dostosowywaniu warunków eksperymentalnych do potrzeb każdego projektu badawczego. Rozwiązywanie problemów z tą techniką obejmuje upewnienie się, że połączenia między skraplaczem e-papierosów, rurkami, pompami i komorami są odpowiednio zabezpieczone oraz że wszystkie komory są odpowiednio uszczelnione (bardziej szczegółowe informacje można znaleźć w instrukcji obsługi). Jak zauważono i przetestowano w tym badaniu, na produkcję i skład aerozolu do e-papierosówmoże wpływać różne czynniki 22. Czynniki te są związane ze stosunkami i składnikami formulacji e-liquidu, które mają wpływ na składnik chemiczny aerozolu, a także z wybranymi cechami urządzenia do e-papierosów i ustawieniami pracy, które wpływają na warunki ogrzewania stosowane do aerozolu e-liquidu, a co za tym idzie skład, a także na składnik fizyczny aerozolu. E-liquidy składają się z dodatków do żywności GRAS, jednak ich bezpieczeństwo po podgrzaniu i aerozolowaniu nie zostało ustalone. Co najważniejsze, użytkownicy e-papierosów wdychają te aerozole i kontrolują profil zaciągania się, a także wybór zarówno e-liquidu, jak i ustawień pracy (rezystancji i napięcia) swoich urządzeń do e-papierosów. Są to kluczowe czynniki, które mogą znacząco wpływać na emisję aerozoli z e-papierosów i dlatego powinny być dokładnie kontrolowane i uwzględniane w badaniach eksperymentalnych.

Podobnie jak większość metod eksperymentalnych, obecna technika ekspozycji na e-papierosy ma zalety i ograniczenia. Chociaż jest wszechstronny i dobrze nadaje się do badań toksykologicznych, wiadomo również, że myszy oddychają przez nos i że narażenie całego ciała może również pozwolić na wchłanianie przez skórę i ustnie, oprócz drogi narażenia wziewnego. Zalety i wady stosowania ekspozycji inhalacyjnej na całe ciało i tylko przez nos zostały obszernie opisane w innym miejscu49,50. Podczas gdy ekspozycja tylko przez nos bardziej naśladuje wzorce wdechu/wydechu, które rządzą transportem i osadzaniem się cząstek w drogach oddechowych, ten tryb ekspozycji jest bardziej stresujący dla zwierząt i nie jest odpowiedni do długoterminowych badań inhalacyjnych z udziałem dużej liczby zwierząt49. Ponadto badania, w których porównano narażenie całego ciała i tylko przez nos u gryzoni narażonych przez drogi oddechowe na ten sam czynnik toksyczny w tych samych warunkach narażenia (nanocząstkiTiO 2, dym papierosowy), nie wykazały statystycznej różnicy między tymi dwoma sposobami narażenia na osadzanie się cząstek w płucach i reakcje płuc50,51. Ponieważ skutki wywołane przewlekłym narażeniem na aerozol z e-papierosów są w dużej mierze nieudokumentowane i niedostatecznie zbadane, system ekspozycji na e-papierosy opisany w tym manuskrypcie jest przydatny do wypełnienia tej luki w wiedzy. Również urządzenie do waporyzacji maszynowej trzeciej generacji użyte w tym badaniu jest zorientowane w konfiguracji poziomej. Istnieje możliwość, że orientacja urządzenia może mieć wpływ na produkcję aerozolu; Jednak, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, w przypadku urządzeń do e-papierosów trzeciej generacji zmienna orientacji nie była wcześniej testowana. Orientacja pozioma jest preferowaną pozycją dla początkujących użytkowników e-papierosów. Pomaga to w lepszym odprowadzaniu wilgoci i minimalizuje ryzyko wycieku e-liquidu. W związku z tym orientacja pozioma jest reprezentatywna dla zachowań związanych z wapowaniem w populacjach użytkowników e-papierosów i była wykorzystywana przez inne grupy badawcze21. Należy również zauważyć, że moc wyświetlana na urządzeniu do e-papierosów może nieznacznie różnić się od rzeczywistej mocy dostarczanej do urządzenia22,52 i dlatego może być również wskazane zewnętrzne mierzenie wartości zasilania lub korzystanie z zasilacza przewodowego w celu stałego dostarczania energii.

Istnieje znaczna luka w badaniach i wiedzy na temat biomarkerów toksyczności związanych z długotrwałym narażeniem na aerozole z e-papierosów. Ten system ekspozycji stanowi krok naprzód w tej dziedzinie, umożliwiając badaczom określenie skutków długotrwałego narażenia zwierząt na wdychanie płynu do e-papierosów w aerozolu. Inne istniejące metody narażenia na e-papierosy również mają możliwość badania wpływu reżimu zaciągania się i ustawień operacyjnych urządzeń do e-papierosów na toksykologiczne punkty końcowe 19,20,22,53. Te systemy narażenia pomogą w dostarczeniu dowodów naukowych dla przyszłych regulacji dotyczących nowych alternatywnych wyrobów tytoniowych. W ostatecznym rozrachunku dobrze przeprowadzone i odpowiednie badania toksykologiczne pomogą lepiej informować decydentów, świadczeniodawców opieki zdrowotnej i 9 milionów Amerykanów korzystających z e-papierosów4. Co najważniejsze, należy unikać systemów ekspozycji, które nie odtwarzają rzeczywistych scenariuszy wapowania. E-liquidy są zazwyczaj podgrzewane w temperaturze 200 °C lub wyższej38 w urządzeniu do e-papierosów, dlatego scenariusze, w których e-liquid jest po prostu nebulizowany lub podgrzewany do 37 °C, a następnie nebulizowany8, nie powinny być uważane za reprezentatywne dla konsumpcji przez użytkowników e-papierosów. Obecnie konsumenci e-papierosów mogą osiągnąć potencjalnie szkodliwy poziom składników aerozolu e-papierosów, wykorzystując cechy konstrukcyjne urządzeń do e-papierosów trzeciej generacji, które pozwalają na regulację charakterystycznych warunków ogrzewania poprzez zmiany rezystancji cewki atomizera i napięcia baterii. Dlatego potrzebne są dalsze badania eksperymentalne, aby określić skutki zdrowotne związane z przewlekłym narażeniem inhalacyjnym na aerozole z e-papierosów. Rozpoczyna się to od ustanowienia powtarzalnych i ustandaryzowanych systemów ekspozycji na e-papierosy25,26. W związku z tym posiadanie wszechstronnego systemu ekspozycji na e-papierosy, który pozwala na szeroki zakres scenariuszy ekspozycji, w tym zautomatyzowane reprezentatywne profile topografii waporyzacji, jest atutem w prowadzeniu badań eksperymentalnych.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

JM i AR są zatrudnione przez SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc., podmiot komercyjny zajmujący się tematami związanymi z treścią tego artykułu. SCIREQ Inc. jest firmą należącą do emka TECHNOLOGIES. Opłaty za otwarty dostęp do tego artykułu zostały zapewnione przez SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten projekt był wspierany przez grant (AP) od Louisiana Governor's Biotechnology Initiative GBI-BOR#013, a także przez Louisiana State University, School of Veterinary Medicine faculty start-up funds (AN).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Kompletne rozwiązanie inExpose - do dostarczania aerozolu z papierosów elektronicznych do komory całego ciała o pojemności 5 litrów, w tym eVic-VTC Mini (urządzenie do e-papierosów, Joyetech)SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc.
Oprogramowanie flexiware  SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc.Komputer FW8
DellCore 2 Duo
Tygon TygonR-3603 
MicroDust ProCassella176000A
Osobista pompa do pobierania próbekSensidyneGilian BDX II
Filtr z włókna szklanegoMilliporeAP4002500
Kaseta do pobierania próbekWyprodukowano w domu
PrzepływomierzTSI Inc.4100
Płyn do papierosów elektronicznych (e-juice)Lokalny sklep
Skaner wielkości cząstek mobilnościTSI Inc.3080
Mikrowaga Sartorius Mikrowaga MC5 
Seria z e-papierosami

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Baeza-Loya, S., et al. Perceptions about e-cigarette safety may lead to e-smoking during pregnancy. Bulletin of the Menninger Clinic. 78 (3), 243-252 (2014).
  2. Kahr, M. K., et al. A qualitative assessment of the perceived risks of electronic cigarette and hookah use in pregnancy. BMC Public Health. 15, 1273(2015).
  3. Mark, K. S., Farquhar, B., Chisolm, M. S., Coleman-Cowger, V. H., Terplan, M. Knowledge, Attitudes, and Practice of Electronic Cigarette Use Among Pregnant Women. Journal of Addiction Medicine. 9 (4), 266-272 (2015).
  4. Centers for Disease Control and Prevention. E-cigarette use triples among middle and high school students in just one year. , Available from: http://www.cdc.gov/media/releases/2015/p0416-e-cigarette-use.html (2015).
  5. Larcombe, A. N., Janka, M. A., Mullins, B. J., Berry, L. J., Bredin, A., Franklin, P. J. The effects of electronic cigarette aerosol exposure on inflammation and lung function in mice. American Journal of Physiology Lung Cell Molecular Physiology. 313 (1), L67-L79 (2017).
  6. Neilson, L., Mankus, C., Thorne, D., Jackson, G., DeBay, J., Meredith, C. Development of an in vitro cytotoxicity model for aerosol exposure using 3D reconstructed human airway tissue; application for assessment of e-cigarette aerosol. Toxicology In Vitro. 29 (7), 1952-1962 (2015).
  7. Leigh, N. J., Lawton, R. I., Hershberger, P. A., Goniewicz, M. L. Flavourings significantly affect inhalation toxicity of aerosol generated from electronic nicotine delivery systems (ENDS). Tobacco Control. 25 (Suppl 2), ii81-ii87 (2016).
  8. Garcia-Arcos, I., et al. Chronic electronic cigarette exposure in mice induces features of COPD in a nicotine-dependent manner. Thorax. 71 (12), 1119-1129 (2016).
  9. Vardavas, C. I., Anagnostopoulos, N., Kougias, M., Evangelopoulou, V., Connolly, G. N., Behrakis, P. K. Short-term pulmonary effects of using an electronic cigarette: impact on respiratory flow resistance, impedance, and exhaled nitric oxide. Chest. 141 (6), 1400-1406 (2012).
  10. Pichelstorfer, L., Hofmann, W., Winkler-Heil, R., Yurteri, C. U., McAughey, J. Simulation of aerosol dynamics and deposition of combustible and electronic cigarette aerosols in the human respiratory tract. Journal of Aerosol Science. 99, 125-132 (2016).
  11. Sosnowski, T. R., Kramek-Romanowska, K. Predicted deposition of e-cigarette aerosol in the human lungs. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 29 (3), 299-309 (2016).
  12. Kosmider, L., et al. Carbonyl compounds in electronic cigarette vapors: effects of nicotine solvent and battery output voltage. Nicotine & Tobacco Research. 16 (10), 1319-1326 (2014).
  13. Farsalinos, K. E., Voudris, V., Poulas, K. E-cigarettes generate high levels of aldehydes only in 'dry puff' conditions. Addiction. 110 (8), 1352-1356 (2015).
  14. Geiss, O., Bianchi, I., Barahona, F., Barrero-Moreno, J. Characterization of mainstream and passive vapours emmited by selected electronic cigarettes. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 218 (1), 169-180 (2015).
  15. Geiss, O., Bianchi, I., Barrero-Moreno, J. Correlation of volatile carbonyl yields emitted by e-cigarettes with the temperature of the heating coil and the perceived sensorial quality of the generated vapours. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 219 (3), 268-277 (2016).
  16. Flora, J. W., et al. Method for the Determination of Carbonyl Compounds in E-Cigarette Aerosols. Journal of Chromatographic Science. 55 (2), 142-148 (2017).
  17. Sleiman, M., et al. Emissions from Electronic Cigarettes: Key Parameters Affecting the Release of Harmful Chemicals. Environmental Science & Technology. 50 (17), 9644-9651 (2016).
  18. Ingebrethsen, B. J., Cole, S. K., Alderman, S. L. Electronic cigarette aerosol particle size distribution measurements. Inhalation Toxicology. 24 (14), 976-984 (2012).
  19. Pouchez, J., et al. Impact of power level and refill liquid composition on the aerosol output and particle size distribution generated by a new-generation e-cigarette device. Aerosol Science & Technology. 52 (4), 359-369 (2018).
  20. Baassiri, M., et al. Clouds and "throat hit": effects of liquid composition on nicotine emissions and physical characteristics of electronic cigarette aerosols. Aerosol Science & Technology. 51 (11), 1231-1239 (2017).
  21. Gillman, I. G., Kistler, K. A., Stewart, E. W., Paolantonio, A. R. Effect of variable power levels on the yield of total aerosol mass and formation of aldehydes in e-cigarette aerosols. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 75, 58-65 (2016).
  22. Soulet, S., Pairaud, C., Lalo, H. A novel vaping machine dedicated to fully controlling the generation of e-cigarette emissions. International Journal of Environmental Research and Public Health. 14 (10), 1225(2017).
  23. SKC. Air sampling basic. Step by step guide. An introduction to air sampling. , SKC Limited. Available from: http://www.skcltd.com/images/pdfs/224-G1_Issue_E_Basic_Step_By_Step_Guide.pdf (2018).
  24. Zhu, S. H., et al. Four hundred and sixty brands of e-cigarettes and counting: implications for product regulation. Tobacco Control. 23 (Suppl 3), iii3-iii9 (2014).
  25. Centre de Cooperation pour les Recherches Scientifiques Relative au Tabac (CORESTA). CORESTA Recommended Method No81. Routine analytical machine for e-cigarette aerosol generation and collection - definitions and standard conditions. , Available from: https://www.coresta.org/sites/default/files/technical_documents/main/CRM_81.pdf (2015).
  26. International Organization for Standardization (ISO). ISO/FDIS 20768. Vapour products - Routine analytical vaping machine - Definitions and standard conditions. , Available from: https://www.iso.org/standard/69019.html (2018).
  27. International Organization for Standardization (ISO). ISO 3308:2000(E). Routine analytical cigarette-smoking machine - Definitions and standard conditions. , Available from: https://www.iso.org/standard/28325.html (2018).
  28. St-Helen, G., Ross, K. C., Dempsey, D. A., Havel, C. M., Jacob, P., Benowitz, N. L. Nicotine delivery and vaping behavior during ad libitum e-cigarette access. Tobacco Regulatory Science. 2 (4), 363-376 (2016).
  29. Talih, S., et al. Effects of user puff topography, device voltage, and liquid nicotine concentration on electronic cigarette nicotine yield: measurements and model predictions. Nicotine & Tobacco Research. 17 (2), 150-157 (2015).
  30. Korzun, T., et al. E-cigarette airflow rate modulates toxicant profiles and can lead to concerning levels of solvent consumption. ACS Omega. 3 (1), 30-36 (2018).
  31. Benowitz, N. L., Bernert, J. T., Caraballo, R. S., Holiday, D. b, Wang, J. Optimal serum cotinine levels for distinguishing cigarette smokers and nonsmokers within different racial/ethnic groups in the Unites States between 1999 and 2004. American Journal of Epidemiology. 169 (2), 236-248 (2009).
  32. Sussan, T. E., et al. Exposure to electronic cigarettes impairs pulmonary anti-bacterial and anti-viral defenses in a mouse model. PLoS One. 10 (2), e0116861(2015).
  33. Flouris, A. D., et al. Acute impact of active and passive electronic cigarette smoking on serum cotinine and lung function. Inhalation Toxicology. 25 (2), 91-101 (2013).
  34. Etter, J. F. A longitudinal study of cotinine in long-term daily users of e-cigarettes. Drug and Alcohol Dependence. 160, 218-221 (2016).
  35. Dawkins, L., Turner, J., Roberts, A., Soar, K. 'Vaping' profiles and preferences: an online survey of electronic cigarette users. Addiction. 108 (6), 1115-1125 (2013).
  36. Logue, J. M., et al. Emissions from Electronic Cigarettes: Assessing Vapers' Intake of Toxic Compounds, Secondhand Exposures, and the Associated Health Impacts. Environmental Science & Technology. 51 (16), 9271-9279 (2017).
  37. Talih, S., et al. Transport phenomena governing nicotine emissions from electronic cigarettes: model formulation and experimental investigation. Aerosol Science & Technology. 51 (1), 1-11 (2017).
  38. Canistro, D., et al. E-cigarettes induce toxicological effects that can raise the cancer risk. Scientific Report. 7, 2028(2017).
  39. Chen, Z., Zeng, D. D. Mining online e-liquid reviews for opinion polarities about e-liquid features. BMC Public Health. 17, 633(2017).
  40. Dinakar, C., O'Connor, G. T. The health effects of electronic cigarettes. New England Journal of Medicine. 375 (14), 1372-1381 (2016).
  41. Schweigert, N., Zehnder, A. J. B., Eggen, R. I. L. Chemical properties of catechols and their molecular modes of toxic action in cells, from microorganisms to mammals. Environmental Microbiology. 3 (2), 81-91 (2001).
  42. Ginsberg, G., Toal, B., Kurland, T. Benzothiazole toxicity assessment in support of synthetic turf field human health risk assessment. Journal of Toxicology and Environmental Health Part A. 74 (17), 1175-1183 (2011).
  43. Moghe, A., et al. Molecular mechanisms of axrolein toxicity: relevance to human disease. Toxicological Sciences. 143 (2), 242-255 (2015).
  44. Kreiss, K., Gomaa, A., Kullman, G., Fedan, K., Simoes, E. J., Enright, P. L. Clinical bronchiolitis obliterans in workers at a microwave-popcorn plant. New England Journal of Medicine. 347 (5), 330-338 (2002).
  45. Bahl, V., Lin, S., Xu, N., Davis, B., Wang, Y. H., Talbot, P. Comparison of electronic cigarette refill fluid cytotoxicity using embryonic and adult models. Reproductive Toxicology. 34 (4), 529-537 (2012).
  46. Gerloff, J., et al. Inflammatory Response and Barrier Dysfunction by Different e-Cigarette Flavoring Chemicals Identified by Gas Chromatography-Mass Spectrometry in e-Liquids and e-Vapors on Human Lung Epithelial Cells and Fibroblasts. Applied In Vitro Toxicology. 3 (1), 28-40 (2017).
  47. Clapp, P. W., et al. Flavored e-cigarette liquids and cinnamaldehyde impair respiratory innate immune cell function. American Journal of Physiology Lung Cell Molecular Physiology. 313 (2), L278-L292 (2017).
  48. Behar, R. Z., et al. Distribution, quantification and toxicity of cinnamaldehyde in electronic cigarette refill fluids and aerosols. Tobacco Control. 25, ii94-ii102 (2016).
  49. Pauluhn, J. Overview of inhalation exposure techniques: strengths and weaknesses. Experimental and Toxicologic Pathology. 57 (Suppl 1), 111-128 (2005).
  50. Oyabu, T., et al. Comparison between whole-body inhalation and nose-only inhalation on the deposition and health effects of nanoparticles. Environmental Health and Preventive. 21 (1), 42-48 (2016).
  51. Bond, J. A., Chen, B. T., Griffith, W. C., Mauderly, J. L. Inhaled cigarette smoke induces the formation of DNA adducts in lungs of rats. Toxicology and Applied Pharmacology. 99 (1), 161-172 (1989).
  52. Rudy, A. K., Leventhal, A. M., Goldenson, N. I., Eissenberg, T. Assessing electronic cigarette effects and regulatory impact: challenges with user self-reported device power. Drug and Alcohol Dependence. 179, 337-340 (2017).
  53. Lee, H. W., et al. E-cigarette smoke damages DNA and reduces repair activity in mouse lung, heart, and bladder as well as in human lung and bladder cells. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). , 201718185(2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electronic Cigarette AerosolVaping DeviceAerosol GenerationToxicological StudiesParticle Size DistributionMass ConcentrationChemical CompositionCotinine LevelsAutomated Vaping TopographyExposure Chamber

Related Articles