Aqui, estabelecemos que a aerossolização de um e-líquido comercial por um atomizador pneumático a 200 °C fornece um aerossol reduzido em metais com níveis de aldeído comparáveis aos encontrados em aerossol de cigarros eletrônicos do mundo real.
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Artigo de investigação
Geração de aerossol substancialmente reduzido em metais, mas rico em aldeído, para estudos de toxicidade de cigarros eletrônicos
Neste artigo
Resumo
Resumo
Quando o e-líquido é aerossolizado em um cigarro eletrônico para inalação pelo usuário, o aerossol fica contaminado por uma mistura de tóxicos, incluindo metais e aldeídos. Falta um método para gerar aerossol de cigarro eletrônico com alto aldeído, mas baixo teor de metais, mas é necessário para desvendar os potenciais efeitos independentes versus as interações toxicológicas da exposição a aldeídos e metais das misturas de aerossóis de cigarros eletrônicos.
O objetivo deste estudo foi estabelecer um método para gerar aerossóis ricos em aldeídos a partir de e-líquidos que, no entanto, não possuem a grande contaminação por metais tipicamente encontrada em aerossóis de cigarros eletrônicos. Para aerossolizar o e-líquido em temperaturas que promovem a formação de aldeídos (até 200 °C), um atomizador pneumático era aquecido externamente. Tanto uma mistura pura de propilenoglicol/glicerina vegetal (PG/VG) quanto um e-líquido comercial foram aerossolizados. Aerossóis foram analisados para toxicos conhecidos associados a cigarros eletrônicos, incluindo 11 aldeídos usando cromatografia líquida-espectrometria de massa tandem e 9 metais (Cr,, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) usando espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplada.
Os níveis de aldeído nos aerossóis do atomizador pneumático só atingiram os de um aerossol real de cigarro eletrônico se o e-líquido comercial fosse aerossolizado a 200 °C. Os níveis de metais nos aerossóis do atomizador pneumático eram então pelo menos 8 vezes menores do que nos aerossóis de cigarro eletrônico de um dispositivo "Mod" operado a 50 W. Os níveis de, Ni e Pb eram particularmente baixos em todas as amostras de aerossol, com alguns níveis abaixo do limite de detecção do método (MDL).
A aerossolização de um e-líquido comercial por um atomizador pneumático a 200 °C produz aerossol com baixos níveis de metais (particularmente Ni,, Pb), mas com níveis de aldeído comparáveis aos encontrados em aerossol real de cigarro eletrônico.
Introdução
Nos EUA, os cigarros eletrônicos são o produto de tabaco mais comumente usado entre os jovens; Em 2024, 5,9% dos estudantes relataram usar cigarroseletrônicos 1. Isso é uma preocupação de saúde pública porque os aerossóis dos cigarros eletrônicos, inalados por usuários de cigarros eletrônicos, contêm uma ampla gama de substâncias químicas tóxicas que, ao serem inaladas, podem causar diversos efeitos adversosà saúde 2. Alguns produtos químicos tóxicos nos aerossóis podem não apenas emanar da formulação original do e-líquido, mas também serem introduzidos durante o uso do dispositivo. Por exemplo, metais lixiviam da bobina metálica de aquecimento usada para aerossolizar o e-líquido através do processo de dissolução e evaporação noaerossol 3. Em contraste, a maioria dos aldeídos presentes no aerossol dos cigarros eletrônicos é formada a partir dos ingredientes base dos e-líquidos, propilenoglicol (PG) e glicerina vegetal (VG), quando a temperatura do e-líquido é elevada até o ponto de ebulição do e-líquido para fins deaerossolização 4.
A presença de metais e aldeídos no aerossol dos cigarros eletrônicos é motivo de preocupação particular porque vários deles são tóxicos, especialmente para o cérebro e outros órgãos. Por exemplo, os metais chumbo (Pb), manganês (Mn), cobre (), ferro (Fe), níquel (Ni) e cromo (Cr) são neurotóxicos conhecidos que se acumulam no cérebro de camundongos expostos a aerossol de cigarro eletrônico, em níveis previamente descritos como causadores de efeitosneurotóxicos 5. Exposição elevada a Mn e Pb, sobrecarga de Fe no cérebro e desequilíbrio com foram todos ligados a um risco mais alto para o desenvolvimento e/ou progressão de doenças neurodegenerativas, por exemplo, doença de Parkinson (DP). Essa neurotoxicidade induzida por metais geralmente envolve mecanismos celulares como estresse oxidativo devido à superprodução de espécies reativas de oxigênio (ROS), disfunção mitocondrial, agregação de proteínas eneuroinflamação 6,7,8.
Os aldeídos acroleína e formaldeído também foram associados àneurodegeneração 9,10,11, possivelmente levando a doenças neurológicas de início tardio, como a DP. Como mostrado em um modelo de camundongos com DP, o acúmulo de aldeído pode ser tóxico ao promover a agregação de proteínas12, e indivíduos com uma mutação na enzima responsável pela conversão do acetaldeído em ácido acético (ALDH2) podem ter maior risco de doença deAlzheimer 13. Embora se saiba que metais e aldeídos podem ser neurotóxicos individualmente, pouco se sabe sobre seus efeitos como misturas, e parece bastante difícil desvendar os efeitos independentes e de interação desses dois grupos químicos no contexto da exposição a aerossóis de cigarros eletrônicos. Para estudar adequadamente os efeitos toxicológicos relacionados à classe química, é necessária a capacidade de gerar aerossóis simulados que sejam reduzidos em metais em comparação com aerossóis de um cigarro eletrônico de referência escolhido, ao mesmo tempo em que correspondem aos seus níveis de aldeído.
O objetivo deste artigo é estabelecer um método que, assim como em um cigarro eletrônico, aerossolize o e-líquido em alta temperatura para gerar um aerossol rico em aldeído, que, no entanto, não possui contaminação substancial por metais, para fornecer ao campo toxicológico uma nova ferramenta para desvendar os respectivos efeitos tóxicos desses produtos químicos nas misturas de aerossóis dos cigarros eletrônicos. Para alcançar esse objetivo, evitamos aerossolar o e-líquido usando uma serpentina metálica de aquecimento, que atuaria como fonte de contaminação metálica. Em vez disso, usamos um atomizadorpneumático 14, que era aquecido externamente para promover a formação de aldeídos a partir de e-líquidos. Para avaliar nossa abordagem, comparamos os níveis de aldeído e metais em aerossóis do atomizador com os de um cigarro eletrônico "Mod" que usamos para expor roedores a aerossóis de cigarro eletrônico.
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Protocolo
Configuração do atomizador pneumático
Todos os materiais utilizados no estudo estão listados no arquivo Tabela de Materiais . Para gerar aerossol simulado de cigarro eletrônico sem usar uma bobina metálica de aquecimento que libera metais, usamos um atomizador pneumático comercial. Para alcançar as altas temperaturas necessárias para promover a formação de aldeídos, aquecemos o atomizador pneumático como um todo, envolvendo fita térmica ao redor dele. Para isso, afrouxamos os dois parafusos que fixam a unidade de aerossol ao suporte, de modo que a fita térmica pudesse ser guiada pela abertura resultante em vez de envolvê-la ao redor do suporte. A temperatura do atomizador pneumático era medida conectando um detector de temperatura de resistência à platina em sua superfície externa, ou seja, a temperatura do e-líquido não era medida diretamente. A conexão térmica foi melhorada aplicando uma pequena quantidade de pasta térmica ao detector. A temperatura medida era lida por uma placa microcontroladora, que controlava um relé para fornecer à fita de aquecimento energia de linha de 110 V caso a temperatura real fosse menor que a temperatura-alvo (entre 50 °C e 200 °C). A Figura 1 mostra o montar experimental.
Os materiais de tubo necessários para operar o atomizador pneumático e que originalmente foram fornecidos pelo fabricante tiveram que ser substituídos por materiais mais resistentes à temperatura: 1) o tubo de alimentação líquida (PTFE calibre 14) foi substituído por tubo de silicone de alta temperatura (1/8" de diâmetro de diâmetro), 2) as seções de tubo de polietileno de alto peso molecular (1/4" de diâmetro de diâmetro de diâmetro de espessura e o suprimento de ar filtrado foram substituídos por tubos de plástico duro para temperaturas extremas (1/4" de diâmetro de diâmetro).
Figura 1: Diagrama da configuração experimental. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Operação do atomizador pneumático
Operar o atomizador pneumático no modo padrão de recirculação pode causar acúmulo de metal no e-líquido recirculante, que é o e-líquido em excesso, não aerossolizado, que flui pelo excesso de líquido e retorna para a garrafa de e-líquido. Para evitar o acúmulo de metal associado no aerossol gerado, o atomizador pneumático era operado em modo não de recirculação, no qual o excesso de e-líquido flui para uma garrafa de resíduos adicionada. O ar comprimido doméstico era filtrado e secado antes de ser fornecido ao atomizador por meio de uma fonte de ar filtrada, que consiste em um pré-filtro de coalescimento, um filtro de coalescimento, um filtro de carbono e um secador de membrana para remover partículas sólidas, gotículas de óleo e água, e vapor de óleo e água. Segundo o fabricante, a filtração final de carbono remove 99,99995% das partículas > 100 nm de tamanho.
Coleção de aerossóis
O atomizador pneumático foi usado para gerar aerossóis a partir de uma solução de 70%vol PG/30% vol VG ou de um e-líquido comercial real com 6% de nicotina, que usamos em pesquisasanteriores 15. Os níveis de aldeído e metal dos aerossóis produzidos pelo atomizador pneumático foram comparados aos dos aerossóis gerados a partir do e-líquido comercial usando um cigarro eletrônico Mod, ou seja, um dispositivo modificável que pode ser recarregado com e-líquido e cujo poder operacional pode ser ajustado. Recentemente, esse Mod foi usado para exposição crônica de roedores ao aerossol de cigarro eletrônico produzido a 30 W5. Neste estudo, o dispositivo operava com uma potência de saída de 30 W ou 50 W.
Em todos os experimentos, incluindo os com o atomizador pneumático e os do cigarro eletrônico Mod, amostras de aerossol foram coletadas em triplicado usando o método desenvolvido por Olmedo et al.16 para análises subsequentes de metais e aldeídos. Amostras de aerossol foram analisadas para 9 metais (Cr,, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) usando espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplada (ICP-MS) e 11 aldeídos (acetaldeído, acetona, acroleína, benzaldeído, 2-butanona, butiraldeído, crotonaldeído, formaldeído, hexaldeído, propionaldeído, pentanal) por cromatografia líquida espectrometria de massa tandem (LC-MS/MS) (ver Arquivo Suplementar 1 , Tabela Suplementar 1 e Tabela Suplementar 2 para mais detalhes). A possível transferência de metal entre o aerossol coletado e o sistema de tubos coletores não era uma preocupação, exceto para Zn.
Sensor eletroquímico para levantamento de aldeídos em tempo real
Um sensor eletroquímico de baixo custo foi usado para comparar em tempo real as concentrações de aldeído em aerossol produzidas por diferentes e-líquidos em diferentes temperaturas, podendo assim ajustar mais rapidamente as condições que favorecem a geração de aldeídos em comparação com a análise offline por LC-MS/MS. Esse sensor, segundo o fabricante, mede as concentrações de formaldeído com uma leitura máxima de 5.000 ppb. O sensor podia ser conectado diretamente a um computador por meio de um cabo USB, e as concentrações de formaldeído podiam ser visualizadas em tempo real usando software fornecido pelo fabricante do sensor. Essas medições em tempo real nos permitiram identificar as condições ideais para gerar aldeídos com nosso atomizador pneumático. Para proteger o sensor do aerossol, ele era colocado em uma pequena caixa que permitia a troca de ar ambiente através de uma membrana de tamanho pequeno que cobria um buraco na caixa (enquanto bloqueava as gotículas do aerossol).
Análise estatística
Diagramas de caixa foram usados para visualizar as distribuições das concentrações medidas de metais e aldeídos em aerossóis e e-líquidos (Figura 2). Para ter uma noção da concentração geral de aldeídos e metais de uma amostra de aerossol, agregamos os dados. Somamos as concentrações dos nove metais medidos para determinar uma concentração "total" de metais. Da mesma forma, somamos as concentrações dos onze aldeídos medidos para determinar uma concentração "total" de aldeído. Todas as análises estatísticas foram realizadas usando a versão 4.3.3 do software R. Diferenças nas concentrações de metais entre diferentes aerossóis e e-líquidos foram analisadas pelo teste t. Quando os valores p eram menores que 0,05, as diferenças eram consideradas significativamente diferentes.
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Resultados
Explorando as condições que promovem a formação de aldeídos
Aerossóis foram gerados em quatro fases. Inicialmente, usamos o atomizador pneumático para gerar aerossóis a partir da solução PG/VG a 50 °C e 100 °C, e usamos o cigarro eletrônico "Mod" para gerar aerossol a partir do e-líquido comercial com 30 W e 50 W de potência operacional. Conforme determinado pelo LC-MS/MS, os níveis totais de aldeído foram muito menores nos aerossóis PG/VG do que nos aerossóis reais d...
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Discussão
A concentração total de aldeído (11 aldeídos) dos aerossóis que geramos com o atomizador pneumático a partir de e-líquido comercial a uma temperatura de 200 °C foi da ordem das medidas em aerossóis de um dispositivo Mod operado a 30 ou 50 W. Em particular, a acroleína ocorreu nos altos níveis observados nos aerossóis reais dos cigarros eletrônicos. No entanto, os níveis de formaldeído não corresponderam aos observados nos aerossóis dos cigarros eletrônicos. No total, os níveis de aldeído...
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Divulgações
Todos os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Agradecimentos
Esse trabalho foi apoiado por bolsas do NIH R01ES032954 e P30ES009089.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 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? | |
| Padrões de Aldeído/Cetona - DNPH | Supelco | ERA-028 | |
| Software de analista & nbsp; | Sciex | Versão 1.6.2 | |
| Coluna C18 | Kinetex | https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN | 1.7 & micro; m |
| Atomizador do tipo colisão & nbsp; | TSI | Modelo 3076 | |
| E-líquido comercial | Beyondvape, Baldwin Park, Califórnia, EUA | Virgola Pálida de Víxen s Kiss | Comprado com 6% de nicotina |
| Sensor eletroquímico | Sensirion | SFA30 | |
| Tubos de PTFE para temperaturas extremas | McMaster-Carr | 5239K12 | Tubos plásticos duros para temperaturas extremas para produtos químicos, Teflon semi-transparente & reg; Plástico PTFE sem listras, 3/16" de diâmetro interno, 1/4" de diâmetro de origem, e não bbsp; |
| Suprimento de ar filtrado | TSI | Modelo 3074B | |
| Fita de aquecimento | BriskHeat | TBIH051-020LD | Fita térmica isolada de tecido de dois elementos, 2 polegadas x 1/2 polegada, 156 watts |
| Tubos de silicone de alta temperatura | Quickun | Tubo de silicone puro, 1/16" de diâmetro diametral, 1/8" de diâmetro | |
| Mars 6 | CEM | https://cem.com/mars-6 | |
| Placa microcontrolador | Arduino | Arduino Uno Rev3 | |
| Mod e-cigarette | Eleaf Electronics Co., Ltd., Cidade de Shenzhen, China | iStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 e Omega; bobina | |
| Multiquant | Sciex | Versão 3.0.3 | |
| NexION 350S ICPMS | Perkin Elmer | NexION 350S | |
| Ácido nítrico | Fisher Chemical | Optima | Classificação de Análise Ultra Elemental Traço |
| Detector de temperatura de resistência à platina & nbsp; | Adafruit | PT1000 | |
| Sistema Qtrao 6500 LC-MS/MS | Sciex | https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system | Espectrômetro de massa tandem |
| Shimadzu LC | Shimadzu | https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html |
Referências
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