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Chemistry

Generación del Aerosol del cigarrillo electrónico por un dispositivo de Vaping máquina de tercera generación: aplicación a estudios toxicológicos

Published: August 25, 2018 doi: 10.3791/58095
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 3, 3, 1
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.

Summary

Los usuarios del cigarrillo electrónico (e-cig) están aumentando en todo el mundo. Sin embargo, poco se conoce efectos sobre la salud inducidos por aerosoles inhalados e-cig. Este artículo describe una técnica de generación de e-cig aerosol apto para exposiciones de animales y estudios toxicológicos posteriores. Tales protocolos deben establecer sistemas de exposición experimental reproducible y estandarizado e-cig.

Abstract

Cigarrillo electrónico (e-cig) dispositivos utilizan calor para producir un aerosol inhalable de líquido (e-líquido) compuesto principalmente de humectantes, nicotina y saborizantes químicos. El aerosol producido incluye partículas finas y ultrafinas y potencialmente nicotina y aldehinos, que pueden ser perjudiciales para la salud humana. Los usuarios de E-cig inhalan estos aerosoles y, con la tercera generación de dispositivos e-cig, controlan de características (resistencia y tensión) además de la opción de e-líquidos y el perfil que sopla. Estos son factores claves que pueden afectar significativamente la toxicidad de los aerosoles inhalados. Investigación de E-cig, sin embargo, es difícil y compleja debido principalmente a la ausencia de evaluaciones estandarizadas y a las numerosas variedades de modelos de e-cig y marcas, así como sabores liquidos y solventes que están disponibles en el mercado. Estas consideraciones destacan la urgente necesidad de armonizar los protocolos de investigación del e-cig, a partir de técnicas de generación y caracterización de aerosoles e-cig. El presente estudio se centra en este reto mediante la descripción de una técnica de generación de aerosoles detallada paso a paso e-cig con determinados parámetros experimentales que se piensan para ser realista y de escenarios de exposición de la vida real. La metodología se divide en cuatro secciones: preparación, exposición, análisis posterior a la exposición, además de limpieza y mantenimiento del dispositivo. Resultados representativos del uso de dos tipos de líquido y varios voltajes se presentan en términos de concentración en masa, granulometría, composición química y los niveles de cotinina en ratones. Estos datos demuestran la versatilidad del sistema de exposición de e-cig utilizado, aparte de su valor para estudios toxicológicos, ya que permite para una amplia gama de escenarios de exposición controlado por ordenador, incluyendo perfiles de topografía automatizada vaping representante.

Introduction

Relacionados con el uso de cigarrillos electrónicos (e-cigs) la seguridad es una cuestión de discusión activa en la comunidad científica. Por un lado, fabricantes y comerciantes anuncian los beneficios de e-cigs como un producto de la reducción de daños para los fumadores actuales, debido a la eliminación de muchas sustancias nocivas presentes en los cigarrillos convencionales, mientras que los tomadores de decisión de política de salud pública son aprensivos acerca de la ausencia de datos sobre la salud humana a largo plazo las exposiciones de1,2. E-cigs servir al menos dos propósitos distintos, 1) como un vehículo de reemplazo para la entrega de la nicotina y 2) como una cesación de fumar dispositivo3. Según los centros para el Control de enfermedades y prevención (CDC), en 2014, más de 9 millones de estadounidenses adultos utilizan e-cigs sobre una base regular. De 2013 a 2014, el uso de e-cig entre estudiantes de secundaria aumentó en más del 300%4. Dado el creciente uso de e-cigs entre los jóvenes, así como en adultos1,2,4y teniendo en cuenta las reivindicaciones populares, pero no probadas, sobre e-cigs como una alternativa más segura de fumar, deben abordarse a preguntas científicas claves determinar si el uso de e-cig plantea posibles riesgos para la salud humana, especialmente la del sistema respiratorio1,2. Aunque e-cigs primero fueron comercializados en los Estados Unidos en 2007, solamente muy pocos estudios se han llevado a hacia fuera sobre los efectos del e-cig aerosol exposiciones en vitro y en la estructura pulmonar, función y salud general5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. por tanto, in vitro, en vivo y los datos epidemiológicos son esenciales para ayudar a establecer políticas públicas y regulaciones relacionadas con el consumo de e-cigs. Sin embargo, la producción de pruebas científicas fiables y reproducibles en este campo emergente primero requiere el establecimiento de regímenes que sopla estandarizados e-cig y la generación de ambientes de exposición reproducible en el laboratorio que son reflexivo de consumo humano.

Dispositivos de tercera generación e-cig, disponibles en el mercado, se componen de al menos uno calefacción de la bobina (atomizador) además de una batería de litio. Regulador de la energía del e-cig dispositivo puede funcionar en varios voltajes. Estos dispositivos de e-cig también tienen un depósito, en el cual se introduce el e-cig líquido (e-líquido). El e-líquido, también conocido como e-jugo, se compone principalmente de nicotina, sabores y portador de solventes (humectantes), a menudo el propilenglicol (PG), agua y glicerina vegetal (VG). Desde entonces, según la U.S. Food y Drug Administration (FDA), e-líquidos están compuestos por una mezcla de "considerado generalmente como seguro" (GRAS) aditivo aromatizantes químicos y humectantes, además de nicotina, pueden considerarse como seguros en los alimentos. Sin embargo, cuando estas formulaciones líquidas son vaporizado a través del dispositivo de e-cig, es calentados por el atomizador, que cambia las propiedades físico-químicas del e-líquido, produce un aerosol o vapor que contienen carbonilos, concretamente aldehído compuestos de12,13. Estos aldehídos se forman por la degradación térmica y la oxidación de los glicoles, que también producen la formación de hidróxido radicales14,15,16,17. Los aldehídos presentes en el aerosol del e-cig cuando vaporizado bajo condiciones específicas13, incluyen formaldehído, acetaldehído, acetol, acroleína, glycidol y diacetilo, que se sabe que tienen potentes efectos negativos sobre la salud humana, con formaldehído es un carcinógeno humano probado15,16,17. Además, e-cig aerosol también se compone de fina (250-950 nm)18,19 y ultrafinas partículas de20 (44-97 nm), que son conocidas por causar toxicidad pulmonar inflamación y estrés oxidativo mecanismos 17. basado en la composición de los liquidos, es decir., el porcentaje de componentes individuales presentes en la formulación, así como la tensión aplicada al dispositivo de e-cig, que influye en la temperatura usada para vape el e-líquido, el total concentración de materia particulada (TPM) del aerosol se varían y diferentes niveles de las partículas, así como concentraciones de aldehídos, que se han demostrado para ser producida bajo vaping específicas condiciones19,21 . Estos aerosoles son inhaladas por los usuarios de e-cig, que controlan el voltaje de su aparato e-cig. Selección de la tensión se basa en preferencias de tarifa de entrega de nicotina, producción de aerosoles y ardiente sensación12. Por lo tanto, es imperativo para entender mejor las características de estos aerosoles para proporcionar evidencia científica de adecuada Reglamento de e-cig y las políticas de fabricación y consumo de liquidos.

En el contexto de la investigación científica, hay varias cuestiones que deben abordarse con 1) las diversas configuraciones de dispositivo de e-cig y opciones de funcionamiento de que e-cig los usuarios pueden elegir; 2) la falta de perfiles de topografía vaping humano representante estandarizado para ser utilizado en configuraciones experimentales22. Esto pone de relieve la urgente necesidad de armonizar los protocolos de investigación del e-cig, a partir de e-cig aerosol generación y caracterización técnicas22. El presente estudio se centra en este reto mediante la descripción de una técnica de generación de aerosoles detallada paso a paso e-cig, con parámetros experimentales específicos considerados realista y de escenarios de exposición de la vida real. Este estudio también pretende evaluar la influencia del voltaje sobre concentración de TPM de aerosol de e-cig, generado mediante un dispositivo de tercera generación vaping integrado a un sistema de exposición comercial controlado por ordenador configurado para inhalación de cuerpo entero de ratones estudios. La descripción de este protocolo experimental, incluyendo la generación y caracterización de aerosoles e-cig, puede contribuir al establecimiento del representante estandarizado e-cig regímenes que sopla en un laboratorio de ajuste posterior toxicológica estudios.

Protocol

Ratones fueron alojados y manejados de acuerdo con la guía de NIH para el cuidado y uso de animales de laboratorio. Todos los procedimientos y protocolos que ratones fueron aprobados por la Comisión de uso y de Luisiana estado Universidad institucional Animal Care. La descripción a continuación es específica de los equipos utilizados, como se indica en la tabla de materiales/equipos. Todo suministro de aire fue filtrado por el HEPA.

1. preparación

  1. Estudio y equipo
    1. Obtener las aprobaciones necesarias (e.g., IACUC) y capacitación para el estudio.
    2. Configuración del equipo en un área adecuadamente ventilada y familiarizarse con su funcionamiento.
  2. Mediciones gravimétricas
    1. Pesar un filtro de 25 mm limpio nuevo. Registrar el peso. Coloque el filtro en un cassette.
    2. Coloque el cartucho con el filtro, una bomba de muestreo personal y un medidor de caudal adecuado para probar un flujo de 1 L/min (LPM).
  3. Dispositivo de cigarrillo electrónico
    1. Enroscar el atomizador en la base del tanque (figura 1).
      Nota: Atomizadores que contienen bobinas con resistencias a 0.15, de 0,5 o 1,5 Ω están disponibles.
    2. Paso crítico: agregar unas gotas (2 o 3) de e-cig líquido en el atomizador para que el algodón está saturado y no creará una quemadura seca (figura 2).
    3. Inserte el manguito de tanque en el tanque. Luego, atornillar el depósito base con el atomizador la manga del tanque (figura 1).
    4. Atornille el tanque montado en la unidad de e-cig. Asegúrese de que la abertura del tanque está hacia arriba y coloque la tapa en su lugar en la parte superior del tanque (figura 1).
    5. Coloque la unidad de e-cig en su placa base girando el brazo del hundimiento de la electroválvula. Cuando en su lugar, gírelo nuevamente en su lugar por lo que puede alinear con el botón de disparo de la unidad de e-cig.
    6. Conecte el extremo de la unidad de e-cig a la parte inferior del condensador a través de un accesorio de la válvula de dos vías y un pedazo de tubería (figura 3).
    7. Asegúrese de que el extremo superior del condensador está conectado correctamente al aerosol generando el sistema y aerosol exposición cámara vía adecuada la tubería.
    8. Paso crítico: Compruebe que el instrumento de medición de concentración de aerosoles en lugar a la salida de la sala de exposición del aerosol.
    9. Paso crítico: Retire la tapa del depósito y llene el tanque con 10 mL de líquido de e-cig. Vuelva a colocar la cubierta del tanque.
      Nota: Este volumen es suficiente para un período de 2 h de exposición.

2. la exposición

  1. Software conexión
    1. En el día del experimento, encienda el ordenador. Recuerda también activar ON el instrumento de medición de concentración de aerosol presionando manualmente el botón de encendido.
    2. Inicie el software operativo. Haga clic en la sesión de experimentación. Seleccione el estudio apropiado. Elija la plantilla para el experimento e-cig.
    3. En la nueva ventana de experimento, introduzca un nombre para la sesión experimental. En la ventana de propiedades del experimento, escriba las iniciales del operador en el cuadro de operador. Haga clic en Aceptar.
  2. Canal de calibración
    1. Siga los pasos en el Asistente de calibración para calibrar adecuadamente el sistema de generación de aerosoles.
      1. Paso 1: Haga clic en siguiente en la ventana de calibración del canal después de confirmar que hay una marca de verificación en el cuadro de instrumento (MicroDust Pro) de medición de concentración de aerosol.
      2. Paso 2: Aplicar ventana valor, haga clic en siguiente. Paso 3: Introduzca la entrada de valor objetivo como 0 g/m3. Paso 4: Inserte de calibración lugar T-formado en la ranura para completar el proceso de calibración y pulse siguiente para llegar a la siguiente ventana.
      3. Introduzca el valor leído en el instrumento de medición de concentración de aerosol. Presione siguiente después de introducir este valor. Revisar la calibración ventana de resultados y haga clic en siguiente.
    2. Paso final: En la ventana de calibración completa, haga clic en Finalizar. Para el flujo de la prueba del sistema, en la ventana de prueba, bombas de prueba 1 y 2 (consulte el manual del usuario).
    3. Confirmar – "gustaría iniciar la grabación continua de datos?", haga clic en sí. Confirmar: "¿quieres comenzar el perfil predeterminado?", haga clic en sí.
  3. Exposición del aerosol de cigarrillo electrónico
    1. Si hacer un estudio de inhalación en vivo , colocar los ratones en las cámaras de exposición de cuerpo entero en este momento.
    2. Vaya inmediatamente a la ventana de perfiles y haga clic en el perfil que desea, desplácese hacia abajo para iniciar la tarea de iniciar un flujo diagonal de aire fresco dentro de las cámaras de exposición.
    3. Cuando esté listo para iniciar la generación de aerosol e-cig y el experimento de la exposición, haga clic en el perfil deseado en la ventana de perfiles, desplácese hacia abajo para iniciar la tarea y haga clic para seleccionar (figura 4).
    4. Paso crítico: registrar la concentración medida por el instrumento de medición de concentración de aerosol. La concentración debe ser > 0 mg / m3.
      Nota: El principio de funcionamiento del dispositivo se basa en la detección óptica y se utiliza en este sistema para proporcionar una evaluación cualitativa en tiempo real de los niveles de exposición en la cámara.
    5. Garantizar que el e-líquido en el tanque durante toda la duración de la exposición.
    6. Para detener el experimento después de alcanzar la duración de la exposición deseada, haga clic en el perfil, desplácese hacia abajo hasta dejar de perfil y haga clic para seleccionar. Asegúrese de que el flujo de polarización se inicia inmediatamente luego de completar el perfil de exposición.
    7. Retire a los sujetos (animales) de la cámara de exposición y devolverlos a su jaula de alojamiento y habitación.

3. posterior a la exposición análisis

  1. Al final de la sesión experimental, cierre el software operativo y apagado el dispositivo de medición de la concentración de aerosol.
  2. Separar el cartucho con el filtro de la bomba y registrar el tiempo cuando fue quitado. Coloque el filtro en un desecador y deje que el filtro se seque durante al menos 48 h (preferiblemente 96 h). A continuación, pesar el filtro con las partículas de aerosol acumulada e-cig y registrar el peso.
  3. Calcular la concentración de partículas totales (TPM) en términos de masa por puff23.
    1. Registrar la masa acumulada en el filtro. Calcular el volumen total muestreado durante el período de exposición utilizando la duración del muestreo y el caudal de la bomba.
    2. Dividir la masa recogida en el filtro por el volumen de aire.
      Nota: TPM la concentración se expresa en peso por unidades de volumen. La concentración de TPM se dividen por el número total de soplos generados por el perfil de e-cig utilizado.

4. limpieza y mantenimiento

  1. Verter el líquido del tanque e-cig y vacíe el condensador utilizando la jeringa adjunta. Asegúrese de que la bobina de atomizador no se quemó durante el experimento. Cambiar la bobina de atomizador después de cada experimento.
  2. Limpie las bombas después de cada experimento. Separar las cabezas de la bomba y retire los conectores y válvulas. Limpie cualquier exceso de la humedad e-líquido o acumulado con un hisopo de algodón o tejido.
  3. Limpiar las salas de exposición de cuerpo entero. Siga las instrucciones del fabricante y quitar cualquier líquido condensado de todas las superficies.
    Nota: Se recomienda evitar el uso de alcohol ya que puede causar daños irreversibles.

Representative Results

La tabla 1 muestra las características del ambiente de exposición dentro de una cámara de cuerpo entero 5 L siguiente generación de aerosol e-cig. Estos datos son el resultado de una sesión de exposición de 2 horas con sólo el portador solventes liquidos base, es decir., relación 50/50 de PG y VG en la ausencia de sabor o nicotina. El aerosol producido por un dispositivo de tercera generación con pilas e-cig con una resistencia de 0.5 Ω. Se analizaron un total de siete tensiones e-cig con un perfil de topografía de puff 70 mL volumen, duración 3-s puff e intervalos de 1 minuto. Como se esperaba, aumentando la tensión de e-cig conduce a concentraciones más altas de la TPM del aerosol en la cámara de exposición utilizada, como se informó con la masa calculada gravimétricamente (mg) por puff. Sin embargo, los cambios en la concentración de TPM siguen un patrón algo sigmoidal en el rango de voltaje estudiado. La relación entre la tensión y la concentración de TPM es inicialmente lineal de 1.8 a 3.2 V y muestra un salto exponencial con una meseta posterior entre 3.2 a 4.8 V.

La figura 5 muestra los resultados de una caracterización física de los aerosoles de e-cig dentro de la cámara de exposición de cuerpo entero. Concentración de número de partícula y distribución del tamaño se midieron bajo variadas condiciones experimentales utilizando a un calibrador de partícula exploración de motilidad. Una amplia gama de concentraciones de masa y número, así como la distribución de tamaño de partícula, en su mayoría compuesto por partículas finas y ultrafinas, se puede lograr utilizando diferentes predefinidos o definidos por el usuario automatizados que sopla perfiles que pueden ser ajustados o modificación vía el software (figura 6), así como opciones de diseño de e-cig dispositivo (es decir., voltaje de batería o resistencia de la bobina del atomizador). Estos resultados ponen de relieve la versatilidad del sistema de exposición utilizado para simular, en un entorno experimental, una amplia gama de perfiles de topografía humana posible e-cig.

Por ejemplo, un entorno de exposición experimental e-cig se creó con base en la información actual sobre preferencias de los consumidores de e-cig y fue posteriormente caracterizada (tabla 2). Aquí, el dispositivo e-cig fue equipado con un atomizador de bobina de 0,5 Ω y funcionado en 3.2 V. El perfil de topografía utilizado consistió en un volumen de 55 mL puff, puff de 3-s duración e intervalos de 30-s mientras que el líquido e probado los solventes del portador (es decir., PG y VG en una proporción 50/50), sola y en combinación con sabor a nicotina y canela 36 mg/mL (Tabla 2). Durante un período de 2 h de exposición, este perfil de exposición atrae a un mayor número de soplos y permite un mayor volumen total muestreado en comparación con la previamente empleada 70 mL, 1 puff por min perfil (13.200 mL versus 8.400 mL, respectivamente). En consecuencia, se obtiene una masa de partículas promedio menor por soplo bajo este perfil de topografía para un mismo voltaje y potencia similar (cuadros 1, 2). Los resultados parecen indicar que la presencia de nicotina y sabor canela en el e-líquido puede tener un efecto negativo sobre la masa de partículas por puff. Sin embargo, la diferencia entre las dos condiciones experimentales no alcanzó el nivel de significación estadística.

Los resultados de un análisis químico del e-cig aerosol generado con el perfil de esta última topografía (volumen 55 mL puff, puff de 3-s duración e intervalos de 30-s) se muestran en la tabla 3 y figura 7. Un total de 82 bocanadas de e-cig aerosol generado bajo 3.2 V con un líquido compuesto de relación 50/50 de PG y VG, nicotina 36 mg/mL, y se tomaron muestras de sabor canela en filtros basados en sílice que posteriormente fueron utilizados para la caracterización química de lo e-cig emisión por GC/MS técnicas. Esta muestra fue recogida derecha después el condensador. El análisis reveló que, además de nicotina y cinamaldehido que se esperaba, otros compuestos como la acroleína, el catecol y el benzothiazole fueron identificados en el aerosol del e-cig. Estos productos químicos son conocidos irritantes respiratorios y mostrar la complejidad de la composición del aerosol una vez que el líquido se calienta y aerosolized.

Además de la caracterización de físico-química de aerosol e-cig, el sistema de generador y la exposición de e-cig empleado es también conveniente para exposiciones de animales. Como se ilustra en la figura 8, la concentración de cotinina sérica, principal metabolito de la nicotina, puede usarse para controlar o confirmar las exposiciones al aerosol de e-cig de nicotina que contienen e-líquidos en ratones. En el presente ejemplo, los ratones expuestos a aerosoles de e-cig muestran un aumento significativo en la concentración de cotinina sérica.

Figure 1
Figura 1. Generador E-cig deconstruido vista. Imagen muestra los distintos elementos que componen el generador de e-cig (unidad e-cig, base tanque, atomizador, tanque, tanque manga, adaptador de tubo).

Figure 2
Figura 2. E-cig atomizador de generador. Imagen de donde poner líquido de e-cig en atomizador.

Figure 3
Figura 3. Visión global del E-cig. La imagen muestra generador montado e-cig con la extensión, incluyendo el condensador.

Figure 4
Figura 4. Generador E-cig software operativo. Imagen muestra la selección de Perfil de vaping en el software. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5. Caracterización física representante de e-cig aerosoles producidos por un generador de e-cig de tercera generación en una cámara de 5 L muestra (A) el impacto de la energía del dispositivo de e-cig (6-40 W) sobre las condiciones de exposición que pueden generarse y (B) que aerosoles e-cig compuesto por partículas finas y ultrafinas de. Distribución número de concentración y tamaño de partícula medido utilizando a un medidor de partículas análisis de movilidad. Parámetros de la exposición: resistencia 0.5 Ω de atomizador y el voltaje varía de 1,8 a 4,8 V; vaping bajo un perfil de la topografía de cada 3 s puff de duración, volumen de 70 mL puff cada 60 s o 3 s puff duración, 55 mL volumen del soplo cada 30 s; usando un líquido compuesto de PG y VG en una proporción 50/50. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6. Automatizado que sopla perfiles puede crearse, ajustado o modificado a través del software. Imágenes muestra a un paso del asistente de creación de perfil que se utiliza para introducir factores de topografía vaping clave, incluyendo volumen de puff, puff duración, intervalo de soplo y soplo perfil. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7. Resultados de espectro de GC/MS para el aerosol de e-cig. Como se describe en la tabla 3, e-cig aerosol fue producido usando el dispositivo e-cig con un atomizador de bobina Ω 0.5 a 3.2 V vaping bajo un perfil de topografía de 55 mL de volumen de hojaldre, 3 s puff duración y 30 intervalos de s con un líquido compuesto de relación 50/50 de PG y VG , sabor de nicotina y canela de 36 mg/mL. Recogió una muestra de 82 soplos del e-cig aerosol justo después del condensador en un filtro basados en sílice, que posteriormente fue utilizado para el análisis químico por cromatografía de gases - técnicas de espectrometría de masas (GC/MS). (A) todo el espectro; (B) Zoom in haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8. Esquema de sistema e-cig de la exposición para los estudios en animales. El sistema de inhalación de aerosoles de cuerpo entero e-cig (A) es adecuado para exposiciones de animales, con cotinina niveles en e-cig exposición ratones BALB/C machos (B) que son comparables a los niveles de la exposición del humo del cigarrillo corriente. Grupo cotinina niveles 0.3-1.2 ng/mL de aire. N = 6 por grupo, *p < 0.05. Ratón/rata cotinina ELISA. Parámetros de la exposición: de atomizador resistencia y la batería voltaje ajustado a 1,5 Ω y 4.2 V, respectivamente; volumen del soplo vaping bajo un perfil de topografía de duración de puff de 3 s y 55 mL cada 30 s; usando un líquido compuesto de 36 mg/mL de nicotina, sabor canela y una proporción 50/50 de PG/VG. Ratones fueron expuestos a una concentración de TPM de ± 0.12 0.09 mg/puff de e-cig aerosol para 2 h/día durante 28 días, mientras que los controles fueron expuestos a aire filtrado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

E-cig voltaje (V) E-cig potencia (W) Masa por soplo (mg) Cámara Temperatura de la cámara (oC)
Humedad relativa (%)
1.8 6.3 ± 0.3 ± 0.005 0.004 46.0 ± 3.3 23,7 ± 0.6
2.3 8,8 ± 0,1 ± 0.009 0.005 27.8 ± 9.1 24.0 ± 0.6
2.55 10,6 ± 0,2 ± 0,021 0,008 53.2 ± 1.2 23,2 ± 0,2
2.8 12.4 ± 0.3 ± 0.061 0.073 51,3 ± 1.1 24.2 ± 0.6
3.2 15,8 ± 0.6 0.065 ± 0.013 56,6 ± 2.3 23,1 ± 0,2
3.7 23.3 ± 0.6 ± 0.741 0.417 51.2 ± 5.5 23.6 ± 0,5
4.8 40.4 ± 1.3 0.823 ± 0.198 25.4 ± 7.7 23,7 ± 0,5

Tabla 1. E-cig dispositivo parámetros probados y las condiciones de exposición en una sala de exposición de 5 L con un atomizador de bobina de 0.5 Ω. Perfil de topografía para una exposición de 2 h: 70 mL puff volumen, 3 s puff duración e intervalos de 1 min, utilizando solamente portador solventes liquidos base, es decir., relación 50/50 PG y VG. Todas las tensiones se analizaron por triplicado (n = 3). Datos se expresan como media ± desviación estándar (SD).

E-cig voltaje (V) E-cig potencia (W) E-liquido nicotina (mg/mL) Sabor E-líquido Masa por soplo (mg) Cámara Temperatura de la cámara (oC)
Humedad relativa (%)
3.2 16,6 ± 0,2 0 Ninguno ± 0.273 0.184 47,4 ± 3.9 23.6 ± 0,2
3.2 15.9 ± 1.3 36 Canela 0.102 ± 0.078 59,6 ± 3.1 22,7 ± 0,2

Tabla 2. E-cig dispositivo parámetros probados y las condiciones de exposición en una sala de exposición de 5 L con un atomizador de bobina de 0.5 Ω. Perfil de topografía para una exposición de 2 h: 55 mL puff volumen, duración de puff de 3 s e intervalos de 30 s, con 1) solo portador solventes liquidos base, es decir., relación 50/50 PG y VG y 2) e-líquido base + nicotina (36 mg/mL) y saborizante de canela. Los dos e-líquidos se analizaron por triplicado (n = 3). Los datos se expresan como media ± SD

Lista de compuestos en aerosol e-cig
2-propenal (acroleína)
7-Pentatriacontene
10-Octadecenal
Benzotiazol
Catecol
Cinamaldehído
Acético del ethoxy
Nicotina
Vainillina

Tabla 3. Lista no exhaustiva de los compuestos encontrados en el aerosol del e-cig. E-cig aerosol fue producido usando el dispositivo e-cig con un atomizador de bobina de 0.5 Ω fijado en 3,2 V vaping bajo un perfil de topografía de 55 mL de volumen de hojaldre, 3 s puff duración y 30 intervalos de s con un líquido compuesto de relación 50/50 de PG y VG , sabor de nicotina y canela de 36 mg/mL. Recogió una muestra de 82 soplos del e-cig aerosol justo después del condensador en un filtro basados en sílice, que posteriormente fue utilizado para el análisis químico por cromatografía de gases - técnicas de espectrometría de masas (GC/MS).

Discussion

Una gran pregunta sin respuesta es si a largo plazo exposición a aerosol e-cig produce toxicidad pulmonar. Además, la seguridad general de los e-cigs sobre salud humana sigue siendo una cuestión de controversia. En agosto de 2016, la FDA de Estados Unidos amplió su autoridad reguladora en todos los productos de tabaco, incluyendo e-cigs. E-CIG la investigación, sin embargo, es difícil y compleja debido sobre todo a 1) la ausencia de evaluaciones estandarizadas; 2) la gran variedad de e-cig dispositivos (~ 2.800 diferentes modelos de marcas identificadas 466)24; 3) más 7.700 sabores e-líquido24; 4) las varias combinaciones de ratios humectante. Dada la complejidad del campo, es indispensable, para enfrentar el desafío y generar sonido evidencia científica, consideraciones cuidado a las condiciones experimentales y procesos reproducibles son empleados. En el presente estudio, el foco fue puesto en la descripción de una técnica de generación de aerosoles e-cig que permite a los investigadores a obtener conjuntos de datos únicos relacionadas con continuum de efecto relacionado con la exposición de aerosoles realista e integral e-cig. Estos pueden ser de relevancia puntual para la dirección e-cig-relacionados con la seguridad o cuestiones de toxicidad para el establecimiento de normas sobre las características de diseño de e-cig que potencialmente pueden tener un impacto directo en las políticas de salud pública.

En el presente artículo, ambientes de exposición significativas fueron generados usando un sistema controlado por ordenador capaz de integrar la última generación de dispositivos e-cig, así como permitiendo perfiles que sopla automatizados predefinidos o definido por el usuario y sistema operativo condiciones (por ej., constante de la energía fuente, valores estándar de resistencia, voltaje o temperatura). Estos perfiles que sopla automatizados incluyen las condiciones estándar: volumen del soplo de 55 mL, 3 s puff la duración, intervalo de 30 s puff y Plaza puff perfil, desde la "rutina analítica máquina para e-cigarette aerosol generación y colección – estándar y definiciones condiciones"exigidas por el Coresta recomienda método (CRM) N ° 8125 (tabla 2). Puesto que el sistema puede generar varios perfiles que sopla automatizados, también cumple con ISO 20768 (vapor productos – máquina de vaping analítica de rutina – definiciones y condiciones estándares)26 requisitos de régimen que sopla. Como se esperaba, e-cig que sopla régimen condiciones estándar contrastan con los de ISO 330827, que define las condiciones estándar para las máquinas de consumo de cigarrillos (35 mL de volumen de hojaldre, 2 s puff duración, 60 intervalo de hojaldre s y Perfil de soplo de bell). Estas diferencias entre los patrones de fumar cigarrillo y e-cig vaping patrones entre los usuarios son bien establecida28. En el presente estudio, los ejemplos y datos proporcionados muestran que los aerosoles generados por este sistema y un dispositivo de tercera generación e-cig con voltaje ajustable producen altas concentraciones de TPM, alcanzando hasta 0,27 y 0,82 mg por puff de 55 y 70 mL, respectivamente. E-cig aerosoles en estas concentraciones se recolectaron justo después de la sala de exposición (tabla 1-2, figura 5). Los resultados también muestran que hay más que una 160-fold diferencia en la masa de partículas por soplo producido con voltajes desde 1,8 a 4,8 V (tabla 1). Este rango de voltaje es característica de la configuración de funcionamiento de los dispositivos de e-cig en el mercado de Estados Unidos, que permitan la aplicación de voltaje que van desde 2.9 a 5.2 V29. Los resultados también son consistentes con datos previamente publicados18,21 donde se informaron altos niveles de TPM en la salida del generador de e-cig para perfiles similares de topografía (1.4 a 5.8 mg/puff). Pasos críticos en el protocolo incluyen agregar unas gotas de líquido en el atomizador antes de cada sesión de exposición para asegurar una) que no se produce ninguna quemadura seca; b) e-líquido está disponible en el tanque durante toda la duración de la exposición; y comprobar que el aerosol de e-cig se genera como se esperaba tomando lecturas periódicas en el dispositivo de medición de concentración en tiempo real. Está bien establecido que los usuarios de e-cig intentan evitar soplos seco, que se producen en condiciones de combustión seca. Esta condición de vaping está relacionado con la formación de altos niveles de aldehídos, como formaldehído, un conocido carcinógeno sustancias tóxicas respiratorias13,30. Por lo tanto, es crucial asegurar que esta condición se evita durante las exposiciones. Finalmente, en cuanto a la exposición a nicotina, ratones exponen a aerosoles de e-cig de 36 mg/mL que contiene nicotina e-líquido para 2 h por día por 28 días (niveles de 0.12 mg/puff) presentaron concentraciones de cotinina suero de 91 ng/mL (figura 8); un nivel similar a la del cigarrillo fumadores (> 100 ng/mL)31,32,33, que es incluso más bajo que el de regular e-cig usuarios (cotinina saliva mediana de 252 ng/mL)34. Se informó en un estudio de topografía de vaping que 235 es el número máximo de inhalaciones diarias tomadas por los usuarios de e-cig35,36. Esto es muy similar a nuestro perfil de exposición producen 1 puff cada 30 segundos durante 2 h por día (un total de 240 soplos). Por lo tanto, este perfil de topografía vaping modelos de comportamiento y consumo de hojaldre diario de los usuarios de e-cig.

En la última década, los dispositivos e-cig evolucionaron a partir de dispositivos de primera generación, como cigarrillo, de un solo uso, baja potencia, dispositivos de estilo de segunda generación tanque extraíble y recargable y ahora a los dispositivos de estilo de tanque de tercera generación con personalizable cuenta con24 para la resistencia de la bobina de 1) atomizador: el elemento responsable de la calefacción el e-líquido y 2) el regulador de la energía, que un) puede operar a diferentes voltajes, b) afecta a la temperatura del elemento calefactor y c) determina si o no la temperatura de ebullición de la solución se alcanza24,37. Durante el uso del e-cig, el e-líquido por lo general se calienta a 200 ° C o mayor de38, y es en forma de aerosol que sus componentes interactúan con matrices biológicas. Por lo tanto, la caracterización de aerosoles e-cig es esencial. Solventes líquidos E diferencian en la volatilidad que soluciones compuestas principalmente de PG (70%), que son menos viscosos y se evaporan a la temperatura más baja de37, producen aerosoles con partículas relativamente pequeñas que aumentan la experiencia del usuario 'garganta hit' 20. por otra parte, basada en VG e-líquidos nebulizar a mayor temperatura37 y producen aerosoles con partículas relativamente grandes que, de la experiencia del usuario, aumenta el sabor y la cantidad de vapor generado5, 17,39. Por lo tanto, previamente se ha establecido que la relación de la PG/VG del e-líquido influye en la distribución de tamaño de las partículas presentes en el e-cig aerosol19,20. Como se muestra en la figura 5, utilizando un líquido compuesto por una proporción 50/50 de PG/VG, aerosoles e-cig con diámetros promedio de ~ 100 nm se obtuvieron. Estos resultados están en la misma gama que los reportados por Baassiri, et al. 20. Esto sugiere que además de la base del e-líquido, los parámetros de exposición, incluyendo el e-cig funcionamiento configuración (resistencia, voltaje y potencia) y soplar el perfil, pueden afectar las características físicas de los aerosoles producidos. Por otra parte, la concentración de nicotina y saborizantes químicos añadidos a la base del e-líquido también pueden potencialmente influir en las propiedades fisicoquímicas del aerosol e-cig. Previamente fue demostrado que un e-líquido que es menos viscoso produce un aerosol compuesto de partículas más finas, dando por resultado un menos denso vapor, produciendo una menor TPM concentración17. Utilizando la misma relación PG/VG para ambos líquidos e probados, el e-líquido que contiene 36 mg/mL de nicotina y sabor canela químicos, lo que implica que es más diluida que la base del e-líquido solamente (PG/VG + nicotina sabor canela versus PG/VG solamente), apareció menos viscoso que el e-líquido compuesto únicamente de PG y VG. La aparente diferencia de viscosidad entre los dos líquidos e puede explicar la disparidad en la masa por puff obtenida bajo igual e-cig vaping ajustes (cuadro 2). Sin embargo, inferior TPM puede no se correlacionan con aerosol menos dañina, ya que también debe considerarse la distribución de tamaño de partícula y la caracterización química del aerosol. En efecto, la degradación térmica de VG y las interacciones químicas de los componentes del e-líquido producen emisiones de aldehídos nocivos, incluyendo formaldehído y acetaldehído, conocido por ser potentes amenazas para la salud humana15,17 ,40. Como se indica en la tabla 3, el análisis químico del e-cig aerosol producido aquí reveló que también contienen acroleína, monochlorophenol, catecol y el benzothiazole. Todos son conocidos irritantes respiratorios, mientras que catecol se clasifica además como posiblemente carcinógeno a los seres humanos (grupo 2B) según la Agencia Internacional de investigación sobre cáncer (IARC)41,42,43 . Esto se suma a los efectos relacionados con la química del agente saborizante incorporado en el e-líquido. Por ejemplo, cinamaldehido y diacetilo, dos de los químicos de alta prioridad saborizante sabor y Asociación de fabricantes de extracto de riesgo respiratorio, cuando es inhalado por los trabajadores, han demostrado para afectar la función pulmonar y causar daño de pulmón irreversible ( Bronquiolitis obliterante, es decir, 'pulmón de las palomitas de maíz')44. Cinamaldehído ha demostrado ser altamente citotóxico en vitro45,46,47 y es muy popular en líquidos e48. En el presente estudio, la presencia de cinamaldehído fue identificada en el aerosol del e-cig del canela con sabor e-líquido (tabla 3 y figura 7). En general, esto demuestra la necesidad de analizar e-cig aerosoles para las características físicas y químicas.

Como se mencionó anteriormente, la técnica de exposición descrita aquí puede ser muy versátil. Pueden permitir las modificaciones del régimen que sopla (vía software), de las características de funcionamiento del dispositivo de e-cig o incluso del tipo de cámara de exposición (sólo por la nariz y todo el cuerpo) (por el hardware). Esto proporciona al investigador con toda la flexibilidad para adaptar o ajustar las condiciones experimentales a las necesidades de cada proyecto de investigación. Esta técnica de resolución de problemas incluye asegurar que las conexiones entre el condensador e-cig, tubos, bombas y cámaras están adecuadamente aseguradas, y que todas las cámaras estén correctamente selladas (para información más detallada, consulte manual de usuario). Como se ha señalado y probado en este estudio, una variedad de factores puede influir en aerosol producción y composición del e-cig22. Estos factores están asociados con las proporciones y los componentes de la formulación del e-líquido, que afectan el componente químico de los aerosoles, así como las características del dispositivo seleccionado e-cig y ajustes de operación, que influyen en las condiciones de calefacción utiliza para nebulizar el e-líquido y por lo tanto la composición como el componente físico del aerosol. E-líquidos se componen de GRAS aditivos alimentarios, sin embargo, su seguridad tras calentamiento y aerosolización no ha sido establecida. Lo más importante, los usuarios de e-cig inhalan estos aerosoles y controlan el perfil que sopla así como la elección de e-líquido y la configuración de operación (resistencia y tensión) de los dispositivos de e-cig. Estos son factores claves que puede afectar significativamente las emisiones de aerosoles de e-cig y deben por lo tanto, ser cuidadosamente controlados y registrados en la investigación experimental.

Como métodos más experimentales, la técnica de exposición actual de e-cig tiene ventajas y limitaciones. Versátil y muy adecuado para estudios toxicológicos, se conoce también que los ratones son respiraderos de la nariz y que exposiciones de cuerpo entero también pueden permitir la absorción dérmica y oral además de la vía de exposición inhalación. Las ventajas y desventajas de usar la inhalación de cuerpo entero y sólo nariz exposiciones han sido describen ampliamente en otros lugares49,50. Mientras que exposiciones sólo nariz imitan más de cerca los patrones de inspiración/expiración que rigen el transporte y deposición de partículas en las vías respiratorias, este modo de exposición es más estresante para los animales y no es suficiente para la inhalación a largo plazo estudios con gran número de animales49. Además, los estudios que compararon las exposiciones todo el cuerpo y nariz-sólo en roedores expuestos por inhalación a la misma sustancia tóxica bajo las mismas condiciones de exposición (nanopartículas de TiO2 , humo de cigarrillo) no encontraron ninguna diferencia estadística entre los dos modos de exposición para la deposición de partículas del pulmón y pulmón respuestas50,51. Puesto que los efectos inducidos por exposición crónica a e-cig aerosol son en gran parte indocumentada y bajo investigación, el sistema de exposición de e-cig que se describe en este manuscrito es útil para cerrar esta brecha de conocimiento. Además, el dispositivo de vaping máquina de tercera generación utilizado en este estudio se orienta en una configuración horizontal. Existe la posibilidad de que la orientación del dispositivo podría tener un efecto sobre la producción de aerosoles; sin embargo, a lo mejor de nuestro conocimiento, para los dispositivos de tercera generación e-cig, la variable orientación no ha sido probada previamente. La orientación horizontal es la posición preferida para usuarios principiantes de e-cig. Esto ayuda a promover la mejor absorbe y minimiza los riesgos del e-líquido que se escapa. Así, la orientación horizontal es representante de vaping comportamientos de las poblaciones de usuarios de e-cig y ha sido utilizada por otros grupos de investigación21. También es importante tener en cuenta que el poder aparece en el dispositivo e-cig puede diferir ligeramente de la potencia real suministrada al dispositivo22,52, y que por lo tanto también puede ser recomendable medir los valores de suministro de energía desde el exterior o utilizar una fuente de alimentación con cable para un suministro constante de energía.

Hay una investigación sustancial y la brecha de conocimientos de biomarcadores de toxicidad asociada con exposición prolongada a los aerosoles de e-cig. Este sistema de exposición representa un avance en este campo permitiendo a los investigadores determinar los efectos de la exposición de inhalación a largo plazo de animales a e-cig aerosol líquido. Otros métodos de exposición e-cig existentes también tienen la capacidad para investigar el impacto de soplar el régimen y funcionamiento configuración de dispositivos e-cig en puntos finales toxicológicos19,20,22,53 . Estos sistemas de exposición ayudará a proveer evidencia científica para las regulaciones futuras en nuevas alternativas de tabaco. En definitiva, bien dirigidos y adecuados estudios toxicológicos ayudará a informar mejor a los políticos, profesionales de la salud y los 9 millones americanos que son los usuarios de e-cig4. Lo más importante, sistemas de exposición que no se reproducen situaciones de la vida real vaping deben evitarse. E-líquidos normalmente se calientan a 200 ° C o mayor temperatura38 en un dispositivo de e-cig, por lo tanto, escenarios donde el e-líquido simplemente es nebulizado, o calentado a 37 ° C y luego pulverizado8, no deben considerarse como representante de los usuarios de e-cig consumo. Actualmente, los consumidores de e-cig pueden alcanzar potencialmente dañino e-cig niveles constitutivos del aerosol con características de diseño de dispositivos de tercera generación e-cig que permiten el ajuste de las condiciones de calefacción distintivo a través de cambios en la bobina del atomizador la resistencia y el voltaje de la batería. Por lo tanto, se necesitan estudios más experimentales para determinar las salud efectos relacionados con crónica inhalación exposiciones a aerosoles de e-cig. Esto comienza estableciendo reproducible y estandarizado e-cig exposición sistemas25,26. Por lo tanto, tener un sistema de exposición e-cig versátil que permite una amplia gama de escenarios de exposición, incluyendo automatizado vaping representante perfiles de topografía, es un activo para la realización de estudios experimentales.

Disclosures

JM y AR son empleados por SCIREQ científica respiratorio equipo Inc, una entidad comercial en temas relacionados con el contenido de este artículo. SCIREQ Inc. es una empresa de tecnologías de emka.

Acknowledgments

Este proyecto fue apoyado por una subvención (AP) de la del gobernador de Luisiana biotecnología iniciativa GBI-BOR #013, así como por la Universidad Estatal de Louisiana, fondos de puesta en marcha de Facultad de Facultad de medicina veterinaria (AN).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 

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Generación del Aerosol del cigarrillo electrónico por un dispositivo de Vaping máquina de tercera generación: aplicación a estudios toxicológicos
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Noël, A., Verret, C. M., Hasan, … More

Noël, A., Verret, C. M., Hasan, F., Lomnicki, S., Morse, J., Robichaud, A., Penn, A. L. Generation of Electronic Cigarette Aerosol by a Third-Generation Machine-Vaping Device: Application to Toxicological Studies. J. Vis. Exp. (138), e58095, doi:10.3791/58095 (2018).

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