Elektroniske sigarettbrukere (e-cig) øker over hele verden. Lite, men er kjent om helseeffekter av inhalert e-cig aerosoler. Denne artikkelen beskriver en e-cig aerosol generasjon teknikk for dyr eksponeringer og toksikologiske studier. Slike protokollene må etablere eksperimentelt reproduserbare og standardiserte e-cig eksponering systemer.
E-sigarett (e-cig) enheter bruker varme for å produsere inhalable aerosol fra en væske (e-væske) består i hovedsak av humectants, nikotin og smakstilsetning kjemikalier. Aerosol produsert inkluderer fin og Ultrafin partikler, og potensielt nikotin og aldehyder, som kan være skadelig for helse. E-cig brukere inhalerer aerosoler disse, og det tredje-generasjonen av e-cig enheter, kontrollere design funksjoner (motstand og spenning) i tillegg til valg av e-væske og puffing profilen. Dette er viktige faktorer som kan betydelig påvirke toksisitet av inhalert aerosoler. E-cig forskning, men er utfordrende og komplekse hovedsakelig på grunn av fravær av standardiserte vurderinger og til de mange variantene av e-cig modeller og merkevarer, samt e-væske smaker og løsemidler som finnes på markedet. Disse betraktningene markere det presserende behovet for å harmonisere e-cig forskning protokoller, starter med e-cig aerosol generasjon og identifikasjon teknikker. Denne studien fokuserer på denne utfordringen ved å beskrive en detaljert trinnvis e-cig aerosol generasjon teknikk med bestemte eksperimentelle parametere som antas å være realistisk og representative for virkelige eksponering scenarier. Metodene er delt inn i fire seksjoner: Forberedelse, eksponering, etter eksponering analyse, samt rengjøring og vedlikehold av enheten. Representant resultatene fra to typer e-væske og forskjellige spenninger presenteres i form av masse konsentrasjon, partikkel størrelsesDistribusjon, kjemisk sammensetning og cotinine nivåer i mus. Disse dataene viser allsidighet av e-cig eksponering systemet brukes, bortsett fra verdien for toksikologiske studier, som gjør det mulig for et bredt spekter av datastyrte eksponering scenarier, inkludert automatisert representant vaping topografi profiler.
Sikkerhet knyttet til bruk av elektroniske sigaretter (e-cigs) er aktive debatt i det vitenskapelige samfunnet. På den ene siden produsenter og selgere annonsere de potensielle fordelene ved e-cigs som skade reduksjon produkt for gjeldende røykere, på grunn av fjerning av mange skadelige stoffer i tradisjonell sigaretter, mens folkehelsen politiske beslutningstakere er engstelig om fravær av data på langsiktige helse eksponeringer1,2. E-CIGS tjene minst to forskjellige formål, 1) som et nytt kjøretøy for levering av nikotin og 2) som en smoking cessation enhet3. Ifølge Centers for Disease Control og Prevention (CDC), i 2014, brukt over 9 millioner voksne amerikanere e-cigs regelmessig. Fra 2013 til 2014, e-cig bruk blant skoleelever økt med mer enn 300%4. Gitt økende bruk av e-cigs blant ungdom så vel som voksne1,2,4, og vurderer de populære, men likevel ubevist, påstandene om e-cigs som et tryggere røyking alternativ må viktigste vitenskapelige spørsmålene tas til finne ut om e-cig bruk utgjør risiko for menneskers helse, spesielt det av luftveiene1,2. Selv om e-cigs ble først kommersialisert i USA i 2007 kun svært begrenset studier har vært utført på effekten av e-cig aerosol eksponeringer i vitro og lunge struktur, funksjon og helse5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. Derfor, i vitro, vivo og epidemiologiske data er avgjørende for å etablere offentlig politikk og forskrifter knyttet til forbruk av e-cigs. Men krever produksjon av pålitelig og reproduserbar vitenskapelige bevis i dette nye feltet først etablering av standardiserte e-cig puffing regimer og generering av reproduserbar eksponering miljøer i laboratoriet innstillinger som er reflekterende for menneskelig konsum.
Tredje generasjon e-cig enheter, tilgjengelig på markedet, er sammensatt av minst ett oppvarming coil (atomizer) pluss et litiumbatteri. E-cig enhetens makt kontrolleren kan operere på forskjellige spenninger. Disse e-cig enhetene har også et reservoar, som e-cig væske (e-væske) er innført. E-flytende, også kjent som e-juice, består hovedsakelig av nikotin, smaker og bærer løsemidler (humectants), ofte propylenglykol (PG), vegetabilsk glyserin (VG) og vann. Siden, ifølge US Food and Drug Administration (FDA), e-væske består av en blanding av “vanligvis betraktet som safe” (GRAS) tilsetningsstoff flavoring kjemikalier og humectants, pluss nikotin, de kan betraktes som sikre i mat. Men når disse flytende formuleringer er vaped via e-cig enheten, er de oppvarmede ved atomizer, som endrer fysisk-kjemiske egenskaper for e-væske, og produserer en aerosol- eller damp som inneholder karbonyl, mer spesifikt aldehyd forbindelser12,13. Disse aldehyder dannes av Termisk nedbrytning og oksidasjon av glycols, som også gir dannelsen av hydroksyl radikaler14,15,16,17. Disse aldehyder som finnes i e-cig aerosoler når vaped under bestemte betingelser13, inkluderer formaldehyd, acetaldehyd, acetol, bl.a, glycidol og diacetyl, som er kjent for å ha potent negative effekter på helse, med formaldehyd er en bevist kreftfremkallende15,16,17. I tillegg e-cig aerosol også består av fine (250-950 nm)18,19 og Ultrafin (44-97 nm)20 partikler, som forårsaker lunge toksisitet gjennom betennelse og oksidativt stress mekanismer 17. basert på sammensetningen av e-flytende, dvs., prosentandelen av enkeltkomponenter presentere i utformingen, samt spenningen på e-cig enheten, som påvirker temperaturen til vape e-flytende, totalt svevestøv (TPM) konsentrasjon av aerosoler vil variere, og resulterer i ulike nivåer av partikler, samt konsentrasjoner av aldehyder, som har vist seg å være produsert under bestemte vaping forhold19,21 . Disse aerosoler er inhalert av e-cig brukere, som kontrollerer spenningen fra e-cig enheten. Utvalg av spenningen er basert på personlige preferanser av nikotin levering rate, aerosol produksjon og brennende følelse12. Derfor er det viktig å forstå egenskapene til disse aerosoler for å gi vitenskapelig bevis for tilstrekkelig regelverk som regulerer e-cig og e-flytende produksjon og forbruk politikk.
I forbindelse med vitenskapelig forskning, det er flere problemer som må håndteres knyttet til 1) for ulike e-cig enheten konfigurasjoner og drift som e-cig brukere kan velge; 2) manglende standardisert representant menneskelige vaping topografi profiler i eksperimentell innstillinger22. Dette understreker det presserende behovet for å harmonisere e-cig forskning protokoller, starter med e-cig aerosol generasjon og karakterisering teknikker22. Denne studien fokuserer på denne utfordringen ved å beskrive en detaljert trinnvis e-cig aerosol generasjon teknikk, med bestemte eksperimentelle parametere anses å være realistisk og representative for virkelige eksponering scenarier. Denne studien også skal evaluere spenning på e-cig aerosol TPM konsentrasjon, som genereres ved hjelp av en tredje generasjons vaping enhet integrert i en kommersiell datastyrt eksponering system konfigurert for mus hele kroppen innånding studier. Beskrivelsen av denne eksperimentelle protokollen, inkludert generasjon og karakterisering av e-cig aerosoler, kan bidra til etableringen av representant standardiserte e-cig puffing regimer i et laboratorium innstillingen for påfølgende toksikologiske studier.
Store ubesvarte spørsmål er om langvarig eksponering e-cig aerosol resulterer i lunge toksisitet. I tillegg er generell sikkerhet for e-cigs om helse fortsatt et spørsmål om kontroversen. I August 2016 utvidet det amerikanske FDA sin regulerende myndighet på alle tobakksprodukter, inkludert e-cigs. E-CIG forskning, men er utfordrende og komplekse skyldes hovedsakelig til 1) fravær av standardiserte vurderinger; 2) rekke e-cig enheter (~ 2800 forskjellige modeller fra 466 identifiserte merker)24; 3) over 7.700 unike e-væske smaker24; 4) de ulike mulige kombinasjoner av humectant prosenter. Gitt kompleksiteten i feltet, er det avgjørende, for å møte utfordringen og generere lyd vitenskapelige bevis, de forsiktig med hensyn til eksperimentelle forhold og reproduserbar prosesser er ansatt. Studien, ble det satt fokus på beskrivelsen av en e-cig aerosol generasjon teknikk som kan aktivere etterforskerne å få unike datasett som er knyttet til realistisk og omfattende e-cig aerosol eksponering-relaterte effekt continuums. Disse kan være betimelig relevante adressen e-cig-relaterte sikkerhet eller toksisitet spørsmål for etablering av forskrift om e-cig utformingsfunksjoner som potensielt kan ha en direkte innvirkning på helsepolitikk.
I denne artikkel, ble meningsfulle eksponering miljøer generert ved hjelp av en datastyrt system kjøpedyktig integrere den nyeste generasjonen av e-cig enheter samt muliggjør forhåndsdefinert eller brukerdefinert automatisert puffing profiler og satt betingelser (f.eks., konstant strøm kilde, standardverdier motstand, spenning eller temperatur). Disse automatiserte puffing profiler med standard betingelser: 55 mL puff volum, 3 s puff varighet, 30 s puff intervall og torget puff profil, fra “rutine analytisk maskinen for e-sigaretten aerosol generasjon og collection-definisjoner og standard betingelser”gitt av Coresta anbefalt metode (CRM) N ° 8125 (tabell 2). Siden systemet brukes kan generere ulike automatisert puffing profiler, det også i samsvar med ISO 20768 (damp produkter-rutine analytisk vaping machine-definisjoner og standard betingelser)26 puffing regimet krav. Som forventet, e-cig puffing regimet standardvilkår kontrast med de fra ISO 330827, som definerer standard betingelsene for røyking maskiner (35 mL puff volum 2 s puff varighet, 60 s puff intervall og bell puff profil). Disse forskjellene mellom sigarett røyking mønstre og e-cig vaping mønstre mellom brukere er godt etablert28. I studien, eksempler og oppgitt viser at aerosoler generert fra dette systemet og en tredje generasjon e-cig enhet med justerbar spenning produsere høye TPM konsentrasjoner, nå 0,27 og 0,82 mg per 55 og 70 mL puff, henholdsvis. E-cig aerosoler i disse konsentrasjoner ble samlet rett etter eksponering kammeret (tabell 1-2, figur 5). Resultatene viser også at det er mer enn en 160-fold forskjell i partikler masse per puff produsert med spenninger varierer fra 1,8 til 4,8 V (tabell 1). Denne spenningsområde er karakteristisk for drift innstillingene for e-cig enheter på det amerikanske markedet, som gir mulighet for anvendelsen av spenning mellom 2.9 5,2 V29. Resultatene er også i overensstemmelse med tidligere publiserte data18,21 hvor høye nivåer av TPM samlet ved utløpet av e-cig generatoren ble rapportert for lignende topografi profiler (1,4 til 5,8 mg/puff). Avgjørende skritt i protokollen inkludere legge noen dråper e-væske til atomizer før hver eksponering-økt for å sikre en) som produseres ingen tørr brenne; b) e-væske er tilgjengelig i tanken i hele varigheten av eksponering; og kontroller at e-cig aerosoler genereres som forventet ved å ta regelmessige målinger på sanntid konsentrasjon måling enheten. Det er godt etablert at e-cig brukere prøver å unngå tørr puffs, som oppstår i tørr brenne forhold. Denne vaping betingelsen gjelder dannelsen av høye nivåer av aldehyder, inkludert formaldehyd, en kjent karsinogen og respiratoriske toxicant13,30. Derfor er det avgjørende å sikre at dette unngås under eksponeringene. Til slutt, i form av nikotin eksponering, mus utsatt for e-cig aerosol fra en 36 mg/mL nikotin inneholder e-væske for 2 t per dag for 28 dager (nivåer av 0,12 mg/blåse) presentert serum cotinine konsentrasjoner av 91 ng/mL (Figur 8); et nivå ligner på sigarett røykere (> 100 ng/mL)31,32,33, som er lavere enn vanlig e-cig brukere (median spytt cotinine 252 ng/ml)34. Det ble rapportert i en vaping topografi studie at 235 var maksimalt antall puffs per dag tatt av e-cig brukere35,36. Dette er svært lik vår eksponering profil produsere 1 blåse hver 30-sec 2-h per dag (totalt 240 puffs). Dermed modeller vaping topografi profilen e-cig brukere daglig puff forbruk og atferd.
Det siste tiåret, e-cig enheter utviklet seg fra første generasjon, sigarett-like, engangs, lav-drevne enheter, andregenerasjons flyttbare og refillable tank stil enheter, og nå tredje generasjons tank-stil enheter med passelig har24 for 1) atomizer’s coil motstanden: grunnstoffet e-væske, og 2) makt kontrolleren, som en) kan operere på forskjellige spenninger, b) påvirker temperaturen på varmeelementet og c) bestemmer hvorvidt kokende temperaturen i løsningen er tilgjengelig24,37. Under e-cig bruk, e-væsken varmes vanligvis på 200 ° C eller større38, og det er i skjemaet aerosol som dens bestanddeler samhandler med biologiske matriser. Derfor er karakterisering av e-cig aerosol viktig. E-væske løsemidler varierer i volatilitet slik at løsninger består hovedsakelig av PG (70%), som er mindre tyktflytende og fordampe på en lavere temperatur37, produsere aerosoler med relativt mindre partikler som øker brukerens “hals hit” opplevelse 20. derimot, VG-basert e-aerosolize ved høyere temperaturer37 og produsere aerosoler med relativt større partikler som fra brukerens erfaring, øker smaken og mengden damp generert5, 17,39. Dermed er det tidligere etablert at PG/VG forholdet mellom e-væske påvirker størrelsesDistribusjon av partikler tilstede i e-cig aerosol19,20. Som vist i figur 5, ved hjelp av en e-væske består av et 50/50 PG/VG forhold, e-cig aerosoler med median diameter på ~ 100 nm ble innhentet. Disse resultatene er i samme område som rapportert av Baassiri, et al. 20. dette tyder på at i tillegg til e-væske basen, eksponering parameterne, inkludert e-cig opererer innstillingene (motstand, spenning og strøm) og puffing profil, kan påvirke de fysiske egenskapene til aerosoler produsert. Videre kan nikotin konsentrasjonen og smakstilsetning kjemikalier lagt til e-væske base også potensielt påvirke e-cig aerosol mekanisk-egenskapene. Det ble tidligere vist at en e-væske som er mindre tyktflytende produserer aerosol består av finere partikler, noe som resulterer i en mindre tett damp, gir en lavere TPM konsentrasjon17. Bruker samme PG/VG forhold for både e-væske testet, at e-væske som inneholder 36 mg/mL av nikotin og kanel smak kjemiske, antyder at det er mer utvannet enn e-væske basen bare (PG/VG + nikotin + kanel smak versus PG/VG alene), dukket opp mindre tyktflytende enn e-væske består utelukkende av PG og VG. Åpenbare forskjellen i viskositet mellom to e-væske kan forklare forskjellen i masse per puff innhentet under lik e-cig vaping innstillinger (tabell 2). Imidlertid kan lavere TPM ikke samsvarer med mindre skadelig aerosol, siden partikkel størrelsesDistribusjon og kjemisk karakterisering av aerosoler må også vurderes. Faktisk, Termisk nedbrytning av VG og kjemiske samhandlingene for e-væske produserer utslipp av skadelige aldehyder, inkludert formaldehyd og acetaldehyd, kjent for å være potent trusler mot helse15,17 ,40. Som nevnt i tabell 3, avslørte kjemisk analyse av e-cig aerosoler produsert her at det inneholdt også bl.a, monochlorophenol, catechol og benzothiazole. Alle er kjent åndedretts irritanter, mens catechol er i tillegg klassifisert som mulig kreftfremkallende for mennesker (gruppe 2B) ifølge International Agency for forskning på kreft (IARC)41,42,43 . Dette legger til effekter knyttet til kjemien i smakstilsetning innlemmet i e-væske. For eksempel har cinnamaldehyde og diacetyl, to av smak og ekstra Manufacturers Association høyt prioriterte smakstilsetning kjemikalier for åndedretts fare, ved innånding av arbeidere, vist å svekke lungefunksjonen og forårsake irreversible lungen skade ( bronchiolitis obliterans, nemlig ‘popcorn lunge’)44. Cinnamaldehyde har vist seg å være svært cytotoksiske i vitro45,46,47 og er veldig populært i e-væske48. I denne studien, ble tilstedeværelse av cinnamaldehyde identifisert i e-cig aerosoler fra kanel flavored e-væske (tabell 3 og figur 7). Samlet viser dette behov for å analysere e-cig aerosoler for både fysiske og kjemiske egenskaper.
Som nevnt ovenfor, kan eksponering teknikken beskrevet her være ekstremt allsidig. Det kan gi endringene puffing regimet (via programvaren), drift funksjonene for e-cig enheten eller type eksponering kammer (bare nese og hele kroppen) (via maskinvaren). Dette gir etterforskeren alle fleksibilitet til å tilpasse eller justere eksperimentelle forhold til behovet for hvert prosjekt. Feilsøke denne teknikken inkluderer å sikre at forbindelsene mellom e-cig kondensatoren, rør, pumper og kamre er tilstrekkelig sikret, og at alle kamre er ordentlig lukket (for mer informasjon se bruksanvisningen). Som nevnt og testet i denne studien, kan en rekke faktorer påvirke e-cig aerosol produksjon og komposisjon22. Disse faktorene er assosiert med prosenter og bestanddeler av e-væske formulering, som påvirker den kjemiske komponenten av aerosoler, samt egenskapene for valgte e-cig enheten og innstillingene, som påvirker den varme forhold brukes til å aerosolize e-flytende, og dermed sammensetningen samt den fysiske komponenten av aerosoler. E-væske består av GRAS tilsetningsstoffer, men deres sikkerhet etter oppvarming og aerosolization er ikke fastslått. Viktigst, e-cig brukere inhalerer aerosoler disse og kontrollere puffing profilen samt valg av både e-væske og drift innstillingene (motstand og spenning) for sine e-cig enheter. Disse er viktige faktorer som kan betydelig påvirke e-cig aerosol utslippene og bør derfor være nøye kontrollert og rapportert i eksperimentell forskning.
Som mest metoder har den nåværende e-cig eksponering teknikken fordeler og begrensninger. Mens allsidig og godt egnet for toksikologiske studier, er det også kjent at mus er nesen breathers og at hele kroppen eksponeringer også tillate dermal og muntlig absorpsjon i tillegg innånding eksponering ruten. Fordeler og ulemper med å bruke hele kroppen og nese-bare innånding eksponeringer er beskrevet mye andre steder49,50. Mens nese-bare eksponeringer nærmere etterligner inspirasjon og utløp mønstrene transport og deponering av partikler i luftveiene, denne modusen av eksponering er mer stressende til dyrene og er ikke tilstrekkelig for langsiktig innånding studier med stort antall dyr49. I tillegg studiene som sammenlignet hele kroppen og nese-bare eksponeringer i gnagere ved innånding til den samme toxicant under de samme betingelsene for stråling (TiO2 nanopartikler, sigarettrøyk) fant ingen statistisk forskjell mellom de to moduser av eksponering for lunge particle deponering og lunge svar50,51. Siden effekten indusert av kronisk eksponeringer til e-cig aerosol er hovedsakelig udokumenterte og under-undersøkt, er e-cig eksponering systemet er beskrevet i dette manuskriptet nyttig for å bygge bro denne kunnskapen hullet. Også er den tredje generasjons maskin-vaping enheten som brukes i denne studien orientert i en horisontal konfigurasjon. Det er en mulighet at retningen på enheten kan ha en effekt på aerosol produksjon; imidlertid til best av vår kunnskap, for tredje generasjon e-cig enheter, er variabelen orientering ikke testet tidligere. Den vannrette retningen er foretrukket posisjon for nybegynnere e-CIG. Dette bidrar fremme bedre wicking og minimerer risikoen for e-væske lekker. Dermed den vannrette retningen er representant for vaping atferd av bestander av e-cig brukere og har blitt brukt av andre forskning grupper21. Det er også viktig å merke seg at kraften vises på e-cig enheten være litt forskjellig fra faktiske strømmen til enheten22,52, og at derfor det kan også være lurt å måle power supply verdiene eksternt eller bruke en fast strømforsyning for en jevn tilførsel av energi.
Det er en betydelig forskning og kunnskapen hullet for biomarkers toksisitet forbundet med langvarig eksponering e-cig aerosoler. Eksponering systemet representerer et skritt fremover i dette feltet ved at etterforskerne å bestemme effekten av langsiktig innånding eksponeringer av dyr til aerosolized e-cig væske. Andre eksisterende e-cig eksponering metoder har også muligheten for å undersøke virkningen av damper regimet og opererer innstillingene for e-cig enheter toksikologiske endepunktene19,20,22,53 . Systemene eksponering vil bidra til å gi vitenskapelige bevis for framtidige reguleringer på nye alternative tobakksprodukter. Til slutt, godt gjennomført og egnet toksikologiske studier hjelper bedre informere politikerne, helsepersonell og 9 millioner amerikanere som er e-cig brukere4. Viktigst, bør eksponering systemer som ikke reprodusere virkelige vaping scenarier unngås. E-væske er vanligvis oppvarmet på 200 ° C eller større temperaturer38 i en e-cig enhet, derfor bør scenarier der e-væske er bare nebulized, eller oppvarmet til 37 ° C og deretter nebulized8, ikke anses som representant for e-cig brukere forbruk. Foreløpig kan e-cig forbrukerne nå skadelige e-cig aerosol konstituerende nivåer ved hjelp av utformingsfunksjonene i tredje generasjon e-cig enheter som tillater for justering av særegne varme forhold via endringer i atomizer’s coil motstand og batterispenning. Derfor for mer eksperimentelle studier å finne de helse effekter knyttet til kronisk innånding eksponeringene til e-cig aerosoler. Begynner ved å etablere reproduserbare og standardiserte e-cig eksponering systemer25,26. Dermed er har et allsidig e-cig eksponering system som tillater et bredt spekter av eksponering scenarier, inkludert automatisert representant vaping topografi profiler, et aktivum gjennomføringen av eksperimentelle studier.
The authors have nothing to disclose.
Dette prosjektet ble støttet av et stipend (AP) fra Louisiana guvernørens bioteknologi initiativ GBI-BOR #013 samt Louisiana State University, skolen av Veterinary medisin fakultetet oppstart midler (AN).
inExpose complete solution – for electronic cigarette aerosol delivery to a 5L whole-body chamber, including eVic-VTC Mini (e-cig device, Joyetech) | SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc. | ||
flexiWare software | SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc. | FW8 | |
Computer | Dell | Core 2 Duo | |
Tygon | Tygon | R-3603 | |
MicroDust Pro | Cassella | 176000A | |
Personal sampling pump | Sensidyne | Gilian BDX II | |
Glass fiber filter | Millipore | AP4002500 | |
Sampling cassette | Made in house | ||
Flow meter | TSI Inc. | 4100 series | |
Electronic cigarette liquid (e-juice) | Local vape shop | ||
Scanning mobility particle sizer | TSI Inc. | 3080 | |
Microbalance | Sartorius | MC5 Micro Balance |