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Chemistry

Generazione di Aerosol di sigaretta elettronica da un dispositivo di macchina-Vaping di terza generazione: applicazione agli studi tossicologici

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

Gli utenti di sigaretta elettronica (e-cig) sono in aumento in tutto il mondo. Piccolo, tuttavia, è conosciuto circa gli effetti di salute indotti dagli aerosol inalato di e-cig. Questo articolo descrive una tecnica di generazione dell'aerosol di e-cig adatta per esposizioni animali e successivi studi tossicologici. Tali protocolli sono tenuti a istituire sistemi di esposizione sperimentalmente riproducibile e standardizzato di e-cig.

Abstract

Elettronica-sigaretta (e-cig) dispositivi utilizzano il calore per produrre un aerosol inalabile da un liquido (liquido) costituito principalmente da sostanze umidificanti, nicotina e sostanze chimiche condimento. L'aerosol prodotto include particelle di polveri fini e ultrafini e potenzialmente nicotina e aldeidi, che possono essere dannosi per la salute umana. Gli utenti di E-cig inalano questi aerosol e, con la terza generazione di dispositivi di e-cig, controllano le funzionalità di progettazione (resistenza e tensione) oltre alla scelta di e-liquidi e il profilo di puffing. Questi sono fattori chiave che possono influenzare significativamente la tossicità degli aerosol inalati. Ricerca di E-cig, tuttavia, è impegnativo e complesso per lo più a causa dell'assenza di valutazioni standardizzate e per le numerose varietà di modelli di e-cig e marchi, così come liquido sapori e solventi che sono disponibili sul mercato. Queste considerazioni evidenziano l'urgente necessità di armonizzare i protocolli di ricerca di e-cig, a partire con le tecniche di generazione e caratterizzazione di aerosol di e-cig. Lo studio attuale si concentra su questa sfida che descrive una tecnica di generazione di aerosol dettagliate passo-passo e-cig con specifici parametri sperimentali che sono pensati per essere realistico e rappresentante di scenari di vita reale esposizione. La metodologia si articola in quattro sezioni: preparazione, esposizione, analisi post-esposizione, più pulizia e manutenzione del dispositivo. Risultati rappresentativi da utilizzando due tipi di liquido e varie tensioni sono presentati in termini di concentrazione di massa, granulometria, composizione chimica e i livelli di cotinina in topi. Questi dati dimostrano la versatilità del sistema di e-cig esposizione usato, a parte il suo rapporto di studi tossicologici, in quanto consente un'ampia gamma di scenari di esposizione controllati dal computer, inclusi i profili di topografia automatizzato vaping rappresentativo.

Introduction

Sicurezza relazionata all'uso delle sigarette elettroniche (e-cigs) è una questione di dibattito attivo nella comunità scientifica. Da un lato, produttori e commercianti pubblicizzano i potenziali vantaggi di e-cigs come un prodotto di riduzione di danno per i fumatori correnti, grazie all'eliminazione di molte sostanze nocive presenti nelle sigarette convenzionali, mentre i decisori politici di salute pubblica sono preoccupati per l'assenza di dati sul lungo termine salute umana esposizioni1,2. E-CIGS servire almeno due scopi distinti, 1) come un veicolo di sostituzione per la consegna di nicotina e 2) come un dispositivo di cessazione fumatori3. Secondo i Centers for Disease Control and Prevention (CDC), nel 2014, più di 9 milioni di adulti americani utilizzavano e-cigs su base regolare. Dal 2013 al 2014, l'uso di e-cig tra studenti delle scuole superiori sono aumentate più del 300%4. Dato il crescente utilizzo di e-cigs tra i giovani anche come in adulti1,2,4e considerando le rivendicazioni popolari, ancora non provate, di e-cigs come un'alternativa più sicura di fumo, chiave domande scientifiche dovranno essere rivolte al determinare se uso di e-cig pone rischi potenziali per la salute umana, specialmente quello del sistema respiratorio1,2. Anche se e-cigs prima furono commercializzate negli Stati Uniti nel 2007, solo molto studi limitati sono stati effettuati sugli effetti della sigaretta aerosol esposizioni in vitro e sulla struttura del polmone, la funzione e la salute generale5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. Pertanto, in vitro, in vivo e i dati epidemiologici sono essenziali per aiutare a stabilire politiche pubbliche ed i regolamenti correlati al consumo di e-cigs. Tuttavia, la produzione di prove scientifiche affidabili e riproducibili in questo campo emergente richiede innanzitutto l'istituzione di regimi puffing standardizzato di e-cig e la generazione di ambienti di esposizione riproducibile nelle regolazioni del laboratorio che sono riflettente del consumo umano.

Dispositivi di terza generazione di e-cig, disponibili sul mercato, sono composti da almeno un riscaldamento bobina (atomizzatore) plus una batteria al litio. Regolatore di potenza del dispositivo di e-cig può operare con tensioni diverse. Questi dispositivi di e-cig hanno anche un serbatoio, in cui è stato introdotto il liquido di e-cig (liquido). Il liquido, noto anche come e-succo, è composto principalmente da nicotina, sapori e vettore solventi (umettanti), spesso glicole propilenico (PG), glicerina vegetale (VG) e acqua. Da allora, secondo l'US Food and Drug Administration (FDA), e-liquidi sono composti da una miscela di "generalmente considerato sicuro" (GRAS) additivo condimento prodotti chimici e sostanze umidificanti, oltre a nicotina, possono essere considerati come sicuri negli alimenti. Tuttavia, quando queste formulazioni liquide sono svapare attraverso il dispositivo di e-cig, sono riscaldati con l'atomizzatore, che modifica le proprietà chimico-fisiche di e-liquido e produce un aerosol o vapori contenenti i carbonilico, più specificamente aldeide composti di12,13. Queste aldeidi sono formate dalla degradazione termica e l'ossidazione di glicoli, che producono anche la formazione di radicali ossidrili14,15,16,17. Le aldeidi che sono presenti nell'aerosol di e-cig quando svapare sotto specifiche condizioni13, includono formaldeide, acetaldeide, acetol, acroleina, glycidolo e diacetile, che sono conosciuti per avere potenti effetti negativi sulla salute umana, con formaldeide è un cancerogeno per l'uomo provata15,16,17. Inoltre, anche di e-cig aerosol è composto di multa (250-950 nm)18,19 e ultrafini particelle20 (44-97 nm), che sono noti per causare tossicità polmonare attraverso l'infiammazione e stress ossidativo meccanismi 17. sulla base della composizione del liquido, cioè., la percentuale dei singoli componenti presenti nella formulazione, come pure la tensione applicata al dispositivo di e-cig, che influenza la temperatura utilizzata per vape il liquido, il totale concentrazione di particolato (TPM) dell'aerosol variano e provocare diversi livelli di particelle, come pure le concentrazioni di aldeidi, che sono state indicate per essere prodotta sotto condizioni specifiche vaping19,21 . Questi aerosol vengono inalate dagli utenti di e-cig, che controllano la tensione del loro dispositivo di e-cig. Selezione della tensione si basa sulle preferenze personali di tasso di consegna di nicotina, produzione di aerosol e masterizzazione sensazione12. Pertanto, è indispensabile per comprendere meglio le caratteristiche di questi aerosol al fine di fornire prove scientifiche per statuto adeguato di e-cig e politiche di produzione e consumo di liquido.

Nell'ambito della ricerca scientifica, ci sono diversi problemi che devono essere affrontate relativo a 1) i vari configurazioni dei dispositivi di e-cig e opzioni di funzionamento gli utenti possono scegliere quali di e-cig; 2) l'assenza di profili di topografia standardizzato vaping rappresentante umano per essere usati in impostazioni sperimentali22. Questo mette in evidenza l'urgente necessità di armonizzare i protocolli di ricerca di e-cig, a partire con di e-cig aerosol generazione e caratterizzazione tecniche22. Lo studio attuale si concentra su questa sfida che descrive una tecnica di generazione di aerosol di dettagliate passo-passo e-cig, con specifici parametri sperimentali considerati realistici e rappresentativo di scenari di vita reale esposizione. Questo studio si propone anche di valutare l'influenza della tensione sulla concentrazione di TPM di aerosol di e-cig, come generata utilizzando un dispositivo di terza generazione vaping integrato in un sistema di esposizione commerciale controllato dal computer configurato per l'inalazione di corpo intero di topi studi. La descrizione di questo protocollo sperimentale, tra cui la generazione e la caratterizzazione degli aerosol di e-cig, può contribuire all'istituzione del rappresentante standardizzato di e-cig puffing regimi in un laboratorio di impostazione per successive tossicologici studi.

Protocol

Topi sono stati alloggiati e trattati in accordo con la Guida di NIH per la cura e l'uso di animali da laboratorio. Tutte le procedure e protocolli che coinvolgono i topi sono stati approvati dal comitato di uso e cura degli animali con istituzionale Louisiana State University. La descrizione fornita sotto è specifica per le attrezzature utilizzate, come specificato nella tabella di materiali/attrezzature. Tutti i fornitura di aria era filtrata HEPA.

1. preparazione

  1. Studio & attrezzature
    1. Ottenere le approvazioni necessarie (ad es., IACUC) e corsi di formazione per lo studio.
    2. Messa a punto l'apparecchiatura in un'area adeguatamente ventilata e acquisire familiarità con il suo funzionamento.
  2. Misure gravimetriche
    1. Pesare un pulito e nuovo filtro 25 mm. Registrare il peso. Collocare il filtro in una cassetta.
    2. Posizionare la cassetta, con il filtro, in linea con una pompa di campionamento personali e un misuratore di portata adeguata alla prova per un flusso di 1 L/min (LPM).
  3. Dispositivo di sigaretta elettronica
    1. Avvitare l'atomizzatore nella base del serbatoio (Figura 1).
      Nota: Atomizzatori contenenti bobine con resistenze a 0.15, 0,5 o 1,5 Ω sono disponibili.
    2. Passaggio critico: aggiungere poche gocce (2 o 3) di liquido di e-cig nell'atomizzatore per garantire che il cotone è saturo e non creerà un'ustione asciutta (Figura 2).
    3. Inserire il manicotto serbatoio il serbatoio. Quindi, avvitare il serbatoio di base con l'atomizzatore nel manicotto serbatoio (Figura 1).
    4. Avvitare il serbatoio montato sull'unità di e-cig. Assicurarsi che l'apertura del serbatoio è rivolto verso l'alto e riporre il coperchio sulla parte superiore del serbatoio (Figura 1).
    5. Mettete l'unità di e-cig sulla sua piastra base ruotando il braccio immergendo dell'elettrovalvola. Quando in luogo, ruotare nuovamente dentro il posto affinché possono allineare con pulsante trigger dell'unità di e-cig.
    6. Collegare l'estremità dell'unità di e-cig per la parte inferiore del condensatore tramite un allegato di valvola a due vie e un pezzo di tubo (Figura 3).
    7. Accertarsi che l'estremità superiore del condensatore sia collegato correttamente ad aerosol generando sistema e aerosol esposizione camera via corretta della tubazione.
    8. Passaggio critico: verificare che lo strumento di misurazione di concentrazione di aerosol sia in posto all'uscita della camera di esposizione di aerosol.
    9. Passaggio critico: rimuovere il coperchio del serbatoio e riempire il serbatoio con 10 mL di liquido di e-cig. Sostituire il coperchio del serbatoio.
      Nota: Questo volume è sufficiente per un periodo di esposizione di 2 h.

2. esposizione

  1. Software di connessione
    1. Il giorno dell'esperimento, accendere il computer. Ricordarsi di attivare anche ON lo strumento di misurazione di concentrazione di aerosol manualmente premendo il pulsante di alimentazione.
    2. Lanciare il software operativo. Fare clic su sessione di sperimentazione. Selezionare lo studio appropriato. Scegliere il modello per l'esperimento di e-cig.
    3. Nella nuova finestra esperimento, immettere un nome per la sessione sperimentale. Nella finestra proprietà di esperimento, digitare le iniziali dell'operatore nella casella operatore. Fare clic su OK.
  2. Calibrazione del canale
    1. Seguire i passaggi della procedura guidata di calibrazione per calibrare adeguatamente il sistema di generazione di aerosol.
      1. Passaggio 1: Fare clic su Avanti nella finestra di calibrazione del canale dopo aver verificato che non ci è un segno di spunta nella finestra di strumento (micropolveri Pro) misura di concentrazione di aerosol.
      2. Passaggio 2: Applicare valore finestra, scegliere Avanti. Passaggio 3: Immettere l'Input di valore di destinazione come 0 g/m3. Passaggio 4: Posto il T-a forma di calibrazione istruzione insert into slot per completare il processo di calibrazione e premere successivo per raggiungere la seguente finestra.
      3. Immettere il valore letto dallo strumento di misura concentrazione di aerosol. Dopo aver inserito questo valore fare clic su successivo . Esaminare la finestra dei risultati di taratura e scegliere Avanti.
    2. Passo finale: Nella finestra di calibrazione completa, fare clic su fine. Per sistema Flow Test, nella finestra di test, test pompe 1 e 2 (fare riferimento al manuale dell'utente).
    3. Confermare – "Vuoi avviare la registrazione continua dei dati?", fare clic su Sì. Confermare – "Vuoi avviare il profilo predefinito?", fare clic su Sì.
  3. Esposizione di aerosol di sigaretta elettronica
    1. Se facendo uno studio di inalazione in vivo , è possibile posizionare i topi in camera l'esposizione del corpo intero in questo momento.
    2. Passare immediatamente alla finestra profili e fare clic destro sul profilo desiderato, scorrere verso il basso per avviare attività di avviare un bias flusso di aria fresca all'interno della camera di esposizione.
    3. Quando si è pronti per avviare la generazione di aerosol di e-cig e l'esperimento di esposizione, pulsante destro del mouse sul profilo desiderato nella finestra profili, scorrere verso il basso per avviare attività e click sinistro per selezionare (Figura 4).
    4. Passaggio critico: registrare la concentrazione misurata dallo strumento di misura della concentrazione di aerosol. La concentrazione deve essere > 0 mg / m3.
      Nota: Il principio di funzionamento del dispositivo si basa sul rilevamento ottico e viene utilizzato in questo sistema per fornire una valutazione qualitativa in tempo reale i livelli di esposizione nella camera.
    5. Garantire tale liquido è disponibile nel serbatoio durante tutta la durata dell'esposizione.
    6. Per interrompere l'esperimento dopo aver raggiunto la durata di esposizione desiderata, fare clic con il pulsante destro sul profilo, scorri fino a smettere di profilo e click sinistro per selezionare. Garantire che il flusso di polarizzazione viene avviato immediatamente dopo il completamento del profilo dell'esposizione.
    7. Rimuovere i soggetti (animali) dalla camera di esposizione e restituirli alla loro gabbia di alloggiamento e la camera.

3. analisi post-esposizione di

  1. Alla fine della sessione sperimentale, chiudere il software operativo e OFF il dispositivo di misurazione di concentrazione di aerosol.
  2. Staccare la cassetta con il filtro dalla pompa e registrare il tempo quando fu rimosso. Collocare il filtro in un essiccatore e lasciare asciugare per almeno 48 h (preferibilmente 96h) il filtro. Pesare il filtro con le particelle di aerosol di e-cig accumulati, quindi registrare il peso.
  3. Calcolare la concentrazione di particolato totale (TPM) in termini di massa per soffio23.
    1. Registrare la massa accumulata sul filtro. Calcolare il volume totale provato durante il periodo di esposizione utilizzando la durata del campionamento e la portata della pompa.
    2. Dividere la massa di raccolta sul filtro per il volume dell'aria.
      Nota: TPM concentrazione è espressa in peso per unità di volume. Dividere la concentrazione di TPM per il numero totale dei soffi generata dal profilo di e-cig utilizzato.

4. pulizia e manutenzione

  1. Versare il liquido dal serbatoio di e-cig e svuotare il condensatore utilizzando la siringa collegata. Assicurarsi che la bobina atomizzatore non bruciavano durante l'esperimento. Cambiare la bobina atomizzatore dopo ogni esperimento.
  2. Pulire le pompe dopo ogni esperimento. Staccare la testa della pompa e rimuovere i connettori e le valvole. Asciugare l'umidità liquido o accumulato in eccesso utilizzando un tampone di cotone o tessuto.
  3. Pulire gli alloggiamenti di esposizione del corpo intero. Seguire le istruzioni del produttore e rimuovere qualsiasi liquido condensato da tutte le superfici.
    Nota: È consigliabile evitare l'uso di alcol in quanto può causare danni irreversibili.

Representative Results

La tabella 1 Mostra le caratteristiche dell'ambiente di esposizione all'interno della camera 5-L corpo intero dopo la generazione di aerosol di e-cig. Questi dati sono il risultato di una sessione di esposizione di 2 h con solo il vettore solventi liquido base, vale a dire., rapporto 50/50 di PG e VG in assenza di condimento o nicotina. L'aerosol è stato prodotto da un dispositivo di terza generazione alimentati a batteria e-cig con una resistenza di 0,5 Ω. Un totale di sette tensioni di e-cig sono stati testati con un profilo di topografia del volume 70-mL puff, puff 3-s durata e intervalli di 1 min. Come previsto, aumentando la tensione e-cig conduce alle più alte concentrazioni di TPM di aerosol nella camera di esposizione utilizzata, come riportato con la massa gravimetricamente calcolata (mg) al soffio. Tuttavia, i cambiamenti nella concentrazione di TPM seguono un modello un po' sigmoidale sopra la gamma di tensione studiata. Il rapporto tra la tensione e la concentrazione di TPM è inizialmente lineare da 1,8 a 3,2 V e viene visualizzato un salto esponenziale con un successivo altopiano tra 3.2-4.8 V.

La figura 5 Mostra i risultati di una caratterizzazione fisica degli aerosol di e-cig all'interno della camera di esposizione del corpo intero. Concentrazione della particella di numero e distribuzione delle dimensioni sono stati misurati sotto varie condizioni sperimentali utilizzando un scansione sizer di particella di motilità. Una vasta gamma di concentrazioni di massa e numero, così come le distribuzioni di dimensione delle particelle, composti principalmente da particelle di polveri fini e ultrafini, può essere ottenuta utilizzando diversi predefiniti o definiti dall'utente automatizzati puffing profili che possono essere regolati o modificati tramite il software (Figura 6), nonché opzioni di progettazione del dispositivo di e-cig (cioè., tensione di batteria o resistenza bobina atomizzatore). Questi risultati evidenziano la versatilità del sistema esposizione utilizzato per simulare, in un quadro sperimentale, una vasta gamma di profili di topografia di e-cig umana possibile.

Ad esempio, un ambiente di esposizione sperimentale di e-cig è stato creato sulla base delle informazioni attuali per quanto riguarda le preferenze personali dei consumatori di e-cig e fu successivamente caratterizzata (tabella 2). Qui, il dispositivo di e-cig è stato dotato di un atomizzatore della bobina di Ω 0,5 e operati a 3.2 V. Il profilo di topografia utilizzato ha consistito di un volume di 55 mL puff, puff 3-s durata e intervalli di 30 secondi, mentre il liquido testato inclusi i solventi veicolanti (cioè., PG e VG ad un rapporto 50/50), da solo e in combinazione con sapore di nicotina e cannella di 36 mg/mL (Tabella 2). Su un periodo di esposizione di 2 h, questo profilo di esposizione attira un numero maggiore di soffi e permette per un volume totale più alto da campionare in confronto precedentemente impiegato 70-mL, 1 puff per ogni profilo di min (13.200 mL contro 8.400 mL, rispettivamente). Di conseguenza, una più piccola massa di particolato media al soffio è ottenuta sotto questo profilo di topografia per una stessa tensione e potenza simile (tabelle 1, 2). I risultati sembrano indicare che la presenza di nicotina e di sapore cannella nel liquido può avere un effetto negativo sulla massa del particolato a sbuffo. Tuttavia, la differenza tra le due condizioni sperimentali non ha raggiunto il livello di significatività statistica.

I risultati di un'analisi chimica dell'aerosol di e-cig generati con il profilo di quest'ultimo topografia (volume 55-mL puff, durata 3-s puff e intervalli di 30-s) sono riportati in tabella 3 e Figura 7. Un totale di 82 soffi della sigaretta aerosol generato sotto 3.2 V con un liquido composto di rapporto 50/50 di PG e VG, nicotina 36mg/mL, e sapore cannella sono stati provati su filtri a base di silice che sono stati successivamente utilizzati per la caratterizzazione chimica di e-cig emissione di tecniche GC/MS. Questo campione è stato raccolto proprio dopo il condensatore. L'analisi ha rivelato che, oltre alla nicotina e cinnamaldeide che ci si aspettava, altri composti come acroleina, catecolo e benzothiazole sono stati identificati in aerosol di e-cig. Queste sostanze chimiche sono noti gli irritanti respiratori e mostrano la complessità della composizione dell'aerosol, una volta che il liquido viene riscaldato e aerosolized.

Oltre alla caratterizzazione chimico-fisica di cig e aerosol, il sistema di generatore e l'esposizione di e-cig impiegato è anche adatto per le esposizioni animali. Come illustrato nella Figura 8, la concentrazione di siero cotinina, un metabolita della nicotina, può essere utilizzato per monitorare o confermare l'esposizione ad aerosol di e-cig da nicotina e-liquidi in topi. Nell'esempio, i topi esposti ad aerosol di e-cig visualizzato un aumento significativo nella loro concentrazione di cotinina siero.

Figure 1
Figura 1. Generatore di E-cig decostruito vista. Immagine mostra i vari elementi che compongono il generatore di e-cig (unità di e-cig, serbatoio base, atomizzatore, serbatoio, serbatoio manica, adattatore tubo).

Figure 2
Figura 2. Atomizzatore di generatore di E-cig. Immagine di dove mettere il liquido di e-cig in atomizzatore.

Figure 3
Figura 3. Vista generale di E-cig. Immagine mostra generatore di e-cig assemblato con estensione, tra cui il condensatore.

Figure 4
Figura 4. Generatore di E-cig software operativo. Immagine mostra la selezione del profilo vaping sul software. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5. Rappresentante caratterizzazione fisica degli aerosol di e-cig, prodotto da un generatore di terza generazione di e-cig in una camera di 5 L Mostra sono (A) l'impatto del potere dispositivo di e-cig (6-40 W) sulle condizioni di esposizione che può essere generato e (B) che gli aerosol di e-cig composta da particelle fini e ultrafini. Numero distribuzione di concentrazione e la dimensione delle particelle misurate utilizzando un scansione sizer di particella di mobilità. Parametri di esposizione: dell'atomizzatore resistenza 0,5 Ω e tensione variabile da 1,8 a 4.8 V; vaping sotto un profilo di topografia di entrambi 3 durata di puff s, volume 70-mL puff ogni 60 s o 3 s puff durata, 55 mL volume del soffio ogni 30 s; utilizzando un liquido composto di PG e VG ad un rapporto 50/50. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Nella figura 6. Automatizzato sbuffando profili possa essere creato, regolato o modificate tramite il software. Immagini Mostra un passo della creazione guidata profilo che viene utilizzato per inserire chiave vaping topografia fattori, tra cui volume puff, puff durata, intervallo di soffio e profilo puff. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7. Spettro di GC/MS si traduce per l'aerosol di e-cig. Come descritto nella tabella 3, aerosol di e-cig è stata prodotta utilizzando il dispositivo di e-cig con un atomizzatore della bobina Ω 0,5 a 3,2 V vaping sotto un profilo di topografia di 55 mL di volume di soffio, 3 s puff durata e intervalli di 30 s con un liquido composto di rapporto 50/50 di PG e VG , 36 mg/mL nicotina e cannella sapore. Destra, dopo il condensatore su un filtro a base di silice, che è stato successivamente utilizzato per l'analisi chimica mediante gas cromatografia - tecniche di spettrometria di massa (GC/MS), è stato raccolto un campione di 82 sbuffi di aerosol di e-cig. (A) tutto lo spettro; (B) pollici Zoom Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8. Schematica del sistema di esposizione di e-cig per gli studi sugli animali. Il sistema di inalazione di aerosol di corpo intero e-cig (A) è adatto per le esposizioni di animali, con cotinina livelli di e-cig esposti maschi topi BALB/C (B) che sono paragonabili ai livelli di esposizione del fumo di sigaretta tradizionale. Aria gruppo cotinina livelli 0.3-1.2 ng/mL. N = 6 per gruppo, *p < 0.05. Mouse/ratto cotinina ELISA. Parametri di esposizione: resistenza e batteria tensione impostata a 1,5 Ω 4.2 V e dell'atomizzatore, rispettivamente; puff vaping sotto un profilo di topografia della durata di 3 s puff e un 55 mL volume ogni 30 s; utilizzando un liquido composto di 36 mg/mL di nicotina, aroma di cannella e un rapporto 50/50 PG/VG. I topi sono stati esposti ad una concentrazione di TPM di 0,12 ± 0,09 mg/soffio di aerosol di e-cig per 2 ore al giorno per 28 giorni, mentre i controlli sono stati esposti ad aria filtrata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tensione (V) di E-cig E-cig potenza (W) Massa per soffio (mg) Camera Temperatura della camera (oC)
Umidità 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

Tabella 1. I parametri del dispositivo di E-cig testati e condizioni di esposizione in una camera di esposizione di 5 L con un atomizzatore della bobina 0,5 Ω. Profilo di topografia per un'esposizione di 2 h: 70 mL puff volume, 3 s puff durata e intervalli di 1 min, utilizzando solo vettore solventi liquido base, vale a dire., rapporto 50/50 PG e VG. Tutte le tensioni sono state testate in triplice copia (n = 3). I dati sono espressi come media ± deviazione standard (SD).

Tensione (V) di E-cig E-cig potenza (W) Nicotina (mg/mL) di liquido Sapore E-Liquid Massa per soffio (mg) Camera Temperatura della camera (oC)
Umidità relativa (%)
3.2 16,6 ± 0,2 0 Nessuno 0.273 ± 0.184 47,4 ± 3,9 23,6 ± 0,2
3.2 15.9 ± 1,3 36 Cannella 0,102 ± 0,078 59,6 ± 3.1 22,7 ± 0,2

Tabella 2. I parametri del dispositivo di E-cig testati e condizioni di esposizione in una camera di esposizione di 5 L con un atomizzatore della bobina 0,5 Ω. Profilo di topografia per un'esposizione di 2 h: 55 mL di volume di soffio, 3 s puff durata e intervalli di 30 s, utilizzando 1) solo vettore solventi liquido base, vale a dire., rapporto 50/50 PG e VG e 2) e-liquido base + nicotina (36 mg/mL) e cannella condimento. I due liquidi sono stati testati in triplice copia (n = 3). I dati sono espressi come media ± SD

Elenco dei composti in aerosol di e-cig
2-propenal (acroleina)
7-Pentatriacontene
10-Octadecenal
Benzothiazole
Catecolo
Aldeide cinnamica
Acido acetico etossi
Nicotina
Vanillina

Tabella 3. Elenco non esaustivo dei composti trovati in aerosol di e-cig. Aerosol di E-cig è stata prodotta utilizzando il dispositivo di e-cig con un atomizzatore della bobina 0,5 Ω fissato a 3,2 V vaping sotto un profilo di topografia di 55 mL di volume di soffio, 3 s puff durata e intervalli di 30 s con un liquido composto di rapporto 50/50 di PG e VG , 36 mg/mL nicotina e cannella sapore. Destra, dopo il condensatore su un filtro a base di silice, che è stato successivamente utilizzato per l'analisi chimica mediante gas cromatografia - tecniche di spettrometria di massa (GC/MS), è stato raccolto un campione di 82 sbuffi di aerosol di e-cig.

Discussion

Una grande domanda senza risposta è se l'esposizione a lungo termine a aerosol di e-cig provoca tossicità polmonare. Inoltre, la sicurezza generale di e-cigs per quanto riguarda la salute umana è ancora un aspetto di polemica. Nel agosto 2016, FDA degli Stati Uniti ampliato la sua autorità di regolamentazione su tutti i prodotti di tabacco, tra cui e-cigs. Ricerca di E-cig, tuttavia, è impegnativo e complesso dovuto principalmente a 1) assenza di valutazioni standardizzate; 2) la grande varietà di e-cig dispositivi (~ 2.800 diversi modelli da 466 marchi identificati)24; 3) oltre 7.700 sapori unici di liquido24; 4) le diverse possibili combinazioni di rapporti umettanti. Data la complessità del campo, è essenziale, al fine di affrontare la sfida e generare suono prove scientifiche, che attente considerazioni delle condizioni sperimentali e processi riproducibili sono impiegati. Nello studio presente, il fuoco è stato messo sulla descrizione di una tecnica di generazione di aerosol di e-cig che può attivare investigatori per ottenere unico set di dati relazionati al continuum di realistico e completo di e-cig aerosol effetto correlato all'esposizione. Questi possono essere di rilevanza tempestivo per la sicurezza di e-cig-relativo indirizzo o domande di tossicità per l'istituzione di norme sulle caratteristiche di progettazione di e-cig che potenzialmente possono avere un impatto diretto sulle politiche di sanità pubblica.

Nel presente articolo, gli ambienti significativi dell'esposizione sono stati generati utilizzando un sistema computerizzato in grado di integrare l'ultima generazione di dispositivi di e-cig, nonché consentendo profili puffing automatizzati predefiniti o definiti dall'utente e di funzionamento impostata condizioni (ad es., costante fonte, valori standard di resistenza, di tensione o di temperatura di potenza). Questi profili puffing automatizzati includono le condizioni standard: 55 mL di volume di soffio, 3 durata del soffio di s, intervallo di puff 30 s e piazza puff profilo, dalla "Routine analitica macchina per la generazione di aerosol e-sigaretta e raccolta – definizioni e standard condizioni"fornite dal metodo consigliato Coresta (CRM) N ° 8125 (tabella 2). Dal momento che il sistema utilizzato può generare vari profili puffing automatizzati, è inoltre conforme ISO 20768 (vapori prodotti – macchina vaping analitici di Routine – definizioni e condizioni standard)26 puffing requisiti di regime. Come previsto, contrasto di e-cig puffing regime condizioni standard con quelli di ISO 330827, che definisce le condizioni standard per le macchine del fumo di sigaretta (35 mL di volume di soffio, 2 durata del soffio di s, 60 s puff intervallo e profilo puff campana). Queste differenze tra modelli di fumo di sigaretta e di e-cig vaping modelli tra gli utenti sono ben consolidata28. Nel presente studio, gli esempi e i dati forniti mostrano che aerosol generato da questo sistema e un dispositivo di terza generazione di e-cig con tensione regolabile producono alte concentrazioni di TPM, raggiungendo fino a 0,27 e 0,82 mg al soffio di 55 e 70 mL, rispettivamente. Aerosol di E-cig a queste concentrazioni sono state raccolte proprio dopo la camera di esposizione (tabella 1-2, Figura 5). I risultati mostrano anche che c'è più di una 160-fold differenza nella massa del particolato per soffio prodotto con tensioni variabili da 1,8 a 4.8 V (tabella 1). Questa gamma di tensione è caratteristica delle impostazioni di funzionamento dei dispositivi di e-cig sul mercato statunitense, che consentono l'applicazione di tensione che varia da 2,9 a 5,2 V29. I risultati sono coerenti con i dati precedentemente pubblicati18,21 dove alti livelli di TPM raccolto all'uscita del generatore di e-cig sono stati segnalati per profili di topografia simili (1,4 a 5,8 mg/puff). Fasi critiche all'interno del protocollo includono l'aggiunta di poche gocce di liquido all'atomizzatore prima di ogni sessione di esposizione per garantire una) che non viene prodotta nessuna ustione asciutta; b) liquido è disponibile nel serbatoio durante tutta la durata dell'esposizione; e verificare che l'aerosol di e-cig è generato come previsto assumendo letture regolare il dispositivo di misurazione della concentrazione in tempo reale. È assodato che gli utenti di e-cig tentano di evitare sbuffi asciutti, che si verificano in condizioni di asciutto ustione. Questa condizione di vaping è correlata alla formazione di alti livelli di aldeidi, tra cui la formaldeide, un noto cancerogeno e tossico respiratoria13,30. Pertanto, garantire che questa condizione sia evitata durante le esposizioni è cruciale. Infine, in termini di esposizione alla nicotina, topi esposti ad aerosol di e-cig da un 36mg/mL contenenti nicotina liquido per 2 h al giorno per 28 giorni (livelli di 0,12 mg/puff) presentato concentrazioni di cotinina siero di 91 ng/mL (Figura 8); un livello simile a quello di sigaretta fumatori (> 100 ng/mL)31,32,33, che è anche inferiore a quello dei regolari di e-cig utenti (mediana saliva cotinine 252 ng/ml)34. È stato segnalato in uno studio di topografia vaping che 235 era il numero massimo di erogazioni al giorno prese da utenti di e-cig35,36. Questo è molto simile al nostro profilo di esposizione producendo 1 puff ogni 30 sec per 2 h al giorno (totale di 240 soffi). Così, questo profilo di topografia vaping modelli di comportamento e consumo giornaliero di soffio di e-cig gli utenti.

Nell'ultimo decennio, di e-cig dispositivi evoluti da dispositivi di prima generazione, simil-sigaretta, monouso, bassa potenza, per dispositivi di stile di seconda generazione serbatoio rimovibile e riutilizzabile e ora per dispositivi di terza generazione serbatoio-stile con personalizzabile dispone di24 per la resistenza bobina di 1) l'atomizzatore: l'elemento responsabile del riscaldamento del liquido e 2) il regolatore di potenza, che un) possono funzionare con tensioni diverse, b) colpisce la temperatura dell'elemento riscaldante e c) determina o meno la temperatura di ebollizione della soluzione è raggiunto24,37. Durante l'uso di e-cig, il liquido viene in genere riscaldato a 200 ° C o maggiore38, ed è in forma di aerosol che suoi costituenti interagiscono con matrici biologiche. Di conseguenza, la caratterizzazione dell'aerosol di e-cig è essenziale. E-liquidi solventi differiscono nella volatilità tale che soluzioni composto pricipalmente di PG (70%), che sono meno viscoso ed evaporano a una temperatura inferiore37, producono aerosol con relativamente più piccole particelle che aumentano l'esperienza dell'utente 'colpo in gola' 20. d'altra parte, basato su VG e-liquidi compressores superiore temperature37 e producono aerosol con particelle relativamente più grandi che, dall'esperienza di un utente, aumenta il sapore e la quantità di vapore generato5, 17,39. Così, in precedenza è stato stabilito che il rapporto di PG/VG di e-liquido influenza la distribuzione di dimensione delle particelle presenti di e-cig aerosol19,20. Come illustrato nella Figura 5, utilizzando un liquido composto da un rapporto 50/50 PG/VG, aerosol di e-cig con diametri mediani di ~ 100 nm sono stati ottenuti. Questi risultati sono nella stessa gamma come quelli segnalati dai barbieri, et al. 20. questo suggerisce che, oltre alla base di e-liquido, i parametri di esposizione, compreso il e-cig impostazioni (resistenza, tensione e potenza) operativo e sbuffando profilo, possono influenzare le caratteristiche fisiche degli aerosol prodotto. Inoltre, la concentrazione di nicotina e sostanze chimiche di condimento aggiunti alla base del liquido anche possono potenzialmente influenzare le proprietà fisico-chimiche di aerosol di e-cig. Precedentemente è stato indicato che un liquido che è meno viscoso produce un aerosol costituito da particelle più fini, risultante in un vapore meno denso, producendo una minore concentrazione di TPM17. Utilizzando lo stesso rapporto di PG/VG per entrambi e-liquidi testati, il liquido contenente 36 mg/mL di nicotina e chimico cannella condimento, implicando che è più diluita rispetto alla base di e-liquido solo (PG/VG + nicotina + cannella sapore contro PG/VG da solo), è apparso meno viscoso che il liquido è composto unicamente da PG e VG. La differenza apparente di viscosità tra i due e-liquidi può spiegare la disparità in massa per soffio ottenuto nell'ambito di e-cig uguale vaping impostazioni (tabella 2). Tuttavia, TPM inferiore non può correlare con aerosol meno nocivo, poiché la distribuzione granulometrica e la caratterizzazione chimica dell'aerosol deve anche essere considerate. Infatti, la degradazione termica dei VG e le interazioni chimiche dei componenti liquido producono emissioni di aldeidi nocive, tra cui la formaldeide e l'acetaldeide, noti per essere potenti minacce alla salute umana15,17 ,40. Come indicato nella tabella 3, l'analisi chimica dell'aerosol di e-cig prodotta qui ha rivelato che conteneva anche acroleina, monochlorophenol, catecolo e benzothiazole. Tutti sono noti gli irritanti respiratori, mentre il catecolo è inoltre classificato come possibile cancerogeno per gli esseri umani (gruppo 2B) secondo l'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC)41,42,43 . Questo aggiunge gli effetti legati alla chimica dell'agente aromatizzante inglobato il liquido. Ad esempio, cinnamaldeide e diacetile, due delle sostanze chimiche ad alta priorità Aroma sapore ed estrarre Manufacturers Association per rischio respiratorio, quando inalate dai lavoratori, sono stati indicati per alterare la funzione polmonare e causare (danno polmonare irreversibile obliterans di bronchiolitis, vale a dire 'polmone popcorn')44. Aldeide cinnamica è stato indicato per essere altamente citotossica in vitro45,46,47 ed è molto popolare in e-liquidi48. Nello studio corrente, la presenza di cinnamaldeide è stata identificata in aerosol di e-cig da cannella aromatizzato e-liquido (tabella 3 e Figura 7). Nel complesso, questo dimostra la necessità di analizzare gli aerosol di e-cig per caratteristiche sia, fisiche e chimiche.

Come accennato in precedenza, la tecnica di esposizione qui descritta può essere estremamente versatile. Può permettere per le modifiche del regime puffing (tramite il software), delle caratteristiche operative del dispositivo di e-cig o anche del tipo di camera di esposizione (solo naso e corpo intero) (via hardware). Questo fornisce l'investigatore con tutta la flessibilità di adattare o modificare le condizioni sperimentali per la necessità di ogni progetto di ricerca. Questa tecnica di risoluzione dei problemi include la garanzia che i collegamenti fra il condensatore di e-cig, tubi, pompe e gli alloggiamenti sono adeguatamente protetti, e che tutti gli alloggiamenti sono sigillati correttamente (per informazioni più dettagliate fare riferimento al manuale utente). Come notato e testati in questo studio, una varietà di fattori può influenzare di e-cig aerosol produzione e composizione22. Questi fattori sono associati con i rapporti e i costituenti della formulazione di liquido, che hanno un impatto la componente chimica di aerosol, così come le caratteristiche del dispositivo selezionato di e-cig e impostazioni di funzionamento, che influenzano le condizioni di riscaldamento utilizzato per compressores il liquido e così la composizione, nonché la componente fisica dell'aerosol. E-liquidi sono costituiti da additivi alimentari GRAS, tuttavia, la sicurezza dopo riscaldamento e nebulizzazione non è stata stabilita. La cosa più importante, gli utenti di e-cig inalano questi aerosol e controllare il profilo di puffing così come la scelta del liquido sia le impostazioni di funzionamento (resistenza e tensione) dei loro dispositivi di e-cig. Questi sono fattori chiave che possono influenzare notevolmente le emissioni di aerosol di e-cig e devono pertanto essere attentamente controllati e segnalati nella ricerca sperimentale.

Come metodi più sperimentali, la tecnica di esposizione di e-cig attuale presenta vantaggi e limitazioni. Mentre versatile e ben si adatta per studi tossicologici, è anche noto che i topi sono naso-sfiati e che esposizioni del corpo intero possono anche consentire l'assorbimento dermico e orale oltre la via di esposizione per inalazione. I vantaggi e svantaggi dell'utilizzo di inalazione di corpo intero e solo naso le esposizioni sono stati descritti ampiamente altrove49,50. Mentre solo naso esposizioni imitano più da vicino i modelli di inspirazione/espirazione che regolano il trasporto e la deposizione delle particelle nelle vie respiratorie, questa modalità di esposizione è più stressante per gli animali e non è adeguata per inalazione a lungo termine studi facendo uso di un numero elevato di animali49. Inoltre, gli studi che hanno confrontato le esposizioni di tutto il corpo e solo naso in roditori esposti per inalazione per la stessa sostanza tossica sotto le stesse condizioni di esposizione (nanoparticelle di TiO2 , fumo di sigaretta) non trovano nessuna differenza statistica tra quelli due modalità di esposizione per la deposizione delle particelle del polmone e di polmone risposte50,51. Poiché gli effetti indotti dall'esposizione croniche ad aerosol di e-cig sono in gran parte privi di documenti e sotto-studiato, il sistema di esposizione di e-cig descritto in questo manoscritto è utile per colmare questo divario di conoscenza. Inoltre, il dispositivo di macchina-vaping di terza generazione utilizzato in questo studio è orientato in una configurazione orizzontale. C'è una possibilità che l'orientamento del dispositivo potrebbe avere un effetto sulla produzione di aerosol; Tuttavia, al meglio della nostra conoscenza, per i dispositivi di terza generazione di e-cig, la variabile di orientamento è non stata testata in precedenza. L'orientamento orizzontale è la posizione preferita per gli utenti principianti di e-cig. Questo aiuta a promuovere meglio traspirante e riduce al minimo i rischi di fuoriuscita di liquido. Così, l'orientamento orizzontale è rappresentante di vaping comportamenti delle popolazioni degli utenti di e-cig ed è stato usato da altri gruppi di ricerca21. È anche importante notare che la potenza visualizzata sul dispositivo di e-cig può differire leggermente dalla effettiva potenza erogata per il dispositivo22,52, e che pertanto anche può essere consigliabile per misurare i valori di alimentazione di potenza esternamente o utilizzare un alimentatore con cavo per un rifornimento costante di energia.

C'è una ricerca sostanziale e il divario di conoscenza per i biomarcatori di tossicità associata all'esposizione a lungo termine agli aerosol di e-cig. Questo sistema di esposizione rappresenta un passo avanti in questo campo, consentendo ai ricercatori di determinare gli effetti delle esposizioni di inalazione a lungo termine degli animali a liquido nebulizzato di e-cig. Altri metodi di esposizione di e-cig esistenti hanno anche la capacità di indagare l'impatto del regime di sbuffando e impostazioni dei dispositivi di e-cig su endpoint tossicologici19,20,22,53 operativo . Questi sistemi di esposizione contribuirà a fornire prove scientifiche per future regolamentazioni sui nuovi tabacchi alternativi. In definitiva, ben condotti e idonei studi tossicologici aiuterà meglio informare i responsabili politici, operatori sanitari e i 9 milioni gli americani che sono di e-cig utenti4. La cosa più importante, i sistemi di esposizione che non si riproducono scenari di vita reale vaping dovrebbero essere evitati. E-liquidi sono tipicamente riscaldati a 200 ° C o temperature maggiore38 in un dispositivo di e-cig, di conseguenza, scenari in cui il liquido viene nebulizzato semplicemente, o riscaldato a 37 ° C e quindi nebulizzata8, non da considerarsi rappresentativo degli utenti di e-cig consumo. Attualmente, i consumatori di e-cig possono raggiungere potenzialmente dannosi di e-cig aerosol livelli costitutivi utilizzando le funzionalità di progettazione di dispositivi di terza generazione di e-cig che consentono la regolazione delle condizioni di riscaldamento distintivo attraverso cambiamenti nella bobina dell'atomizzatore resistenza e la tensione della batteria. Pertanto, gli studi più sperimentali sono necessari per determinare la salute effetti correlati alla cronica inalazione esposizioni agli aerosol di e-cig. Questo inizia stabilendo riproducibile e standardizzato di e-cig esposizione sistemi25,26. Così, avendo un sistema di esposizione di e-cig versatile che consente un'ampia gamma di scenari di esposizione, anche automatizzati rappresentante vaping profili di topografia, è una grande risorsa per lo svolgimento di studi sperimentali.

Disclosures

JM e AR sono impiegati da SCIREQ scientifico respiratoria Equipment Inc, un'entità commercio coinvolti negli argomenti relazionati al contenuto di questo articolo. SCIREQ Inc è un'azienda di tecnologie emka.

Acknowledgments

Questo progetto è stato sostenuto da una sovvenzione del governatore della Louisiana biotecnologia iniziativa GBI-BOR n. 013 (AP), così come dalla Louisiana State University, fondi di Start-up facoltà scuola di 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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Generazione di Aerosol di sigaretta elettronica da un dispositivo di macchina-Vaping di terza generazione: applicazione agli studi tossicologici
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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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