Elektroniske cigaretter (e-cig) brugere stigende på verdensplan. Lidt, men er kendt om de sundhedsmæssige virkninger fremkaldt af inhaleret e-cig aerosoler. I denne artikel beskrives en e-cig aerosol generation teknik egner sig til animalsk engagementer og efterfølgende toksikologiske undersøgelser. Disse protokoller er forpligtet til at indføre eksperimentelt reproducerbare og standardiserede e-cig eksponering systemer.
E-cigaret (e-cig) enheder bruge varmen til at producere en inhalerbar aerosol fra en væske (e-væske) består hovedsageligt af fugtighedsbevarende midler, nikotin og aroma kemikalier. Aerosol produceret omfatter fine og ultrafine partikler, og potentielt nikotin og aldehyder, som kan være skadelige for menneskers sundhed. E-cig brugere indånde disse aerosoler og med den tredje generation af e-cig enheder, kontrollere designfunktioner (modstand og spænding) ud over valget af e-væsker og stønnende profilen. Disse er de vigtigste faktorer, der væsentligt kan påvirke toksicitet af de inhalerede aerosoler. E-cig forskning, men er udfordrende og komplekse hovedsagelig på grund af mangel af standardiserede vurderinger og til de mange sorter af e-cig modeller og mærker, samt e-liquid smag og opløsningsmidler, der er tilgængelige på markedet. Disse overvejelser fremhæve behovet for at harmonisere e-cig forskningsprotokoller, startende med e-cig aerosol generation og karakterisering teknikker. Den nuværende undersøgelse fokuserer på denne udfordring ved at beskrive en detaljeret trin for trin e-cig aerosol generation teknik med specifikke eksperimentelle parametre, som menes at være realistisk og repræsentativt for virkelige eksponeringsscenarier. Metoden er opdelt i fire sektioner: forberedelse, eksponering, efter eksponering analyse, plus rengøring og vedligeholdelse af enheden. Repræsentative resultater fra at bruge to typer af e-væske og forskellige spændinger er præsenteret i form af massekoncentration, partikelstørrelsesfordeling, kemiske sammensætning og cotinine niveauer i mus. Disse data viser alsidigheden af e-cig eksponering system anvendes, bortset fra dens værdi til toksikologiske undersøgelser, da det giver mulighed for en bred vifte af computer-kontrollerede eksponeringsscenarier, herunder automatiseret repræsentative vaping topografi profiler.
Sikkerhed vedrører brugen af elektroniske cigaretter (e-cigs) er et spørgsmål om aktiv debat i det videnskabelige samfund. På den ene hånd, producenter og handlende annoncere de potentielle fordele ved e-cigs som en skade reduktion produkt for nuværende rygere, som følge af afskaffelsen af mange skadelige stoffer i konventionelle cigaretter, mens de offentlige sundhed politiske beslutningstagere er bekymret over manglen data på langsigtede sundhed engagementer1,2. E-CIGS tjene mindst to særskilte formål, 1) som et reservekøretøj for levering af nikotin og 2) som en rygning rygestop enhed3. Ifølge Centers for Disease Control og forebyggelse (CDC), i 2014, brugt mere end 9 millioner voksne amerikanere e-cigs på en regelmæssig basis. Fra 2013 til 2014, e-cig brug blandt gymnasieelever steg med mere end 300%4. I betragtning af den stigende brug af e-cigs blandt unge såvel som voksne1,2,4, og i betragtning af de populære, endnu uprøvede, påstande om e-cigs som en sikrere ryger alternativ skal centrale videnskabelige spørgsmål rettes til bestemmer, om e-cig brug udgør potentielle risici for menneskers sundhed, især de respiratoriske system1,2. Selv om e-cigs var først kommercialiseret i USA i 2007, kun meget begrænsede undersøgelser har været udført på virkningerne af e-cig aerosol engagementer i vitro og lunge struktur, funktion og generelle sundhed5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. derfor, in vitro-, i vivo og epidemiologiske data er afgørende for at hjælpe med at etablere offentlige politikker og forordninger vedrørende forbruget af e-cigs. Pålidelig og reproducerbar videnskabelige dokumentation på dette nye område kræver imidlertid først, oprettelse af standardiseret e-cig stønnende regimer og generation af reproducerbare eksponering miljøer i laboratoriet indstillinger, der er reflekterende på konsum.
Tredje generation e-cig enheder, tilgængelige på markedet, er sammensat af mindst én varmespiral (atomizer) plus et lithium batteri. E-cig enheden power controller kan operere på forskellige spændinger. Disse e-cig enheder har også et reservoir, som e-cig væske (e-væske) er indført. E-væske, også kendt som e-juice, består hovedsageligt af nikotin, varianter og transportør opløsningsmidler (fugtighedsbevarende midler), ofte propylenglykol (PG), vegetabilsk glycerin (VG) og vand. Siden, ifølge den amerikanske Food and Drug Administration (FDA), e-væsker er sammensat af en blanding af “generelt betragtes som sikre” (GRAS) fødevaretilsætningsstof flavoring kemikalier og fugtighedsbevarende midler plus nikotin, kan de betragtes som sikre fødevarer. Men, når disse flydende formuleringer er vaped via e-cig enhed, de er opvarmet af forstøver, som ændrer de fysisk-kemiske egenskaber af e-væske, og producerer en aerosol eller dampe indeholdende karbonyler, mere specifikt aldehyd forbindelser12,13. Disse aldehyder er dannet ved termisk nedbrydning og oxidation af glycoler, som også giver dannelsen af hydroxyl radikaler14,15,16,17. De aldehyder, der er til stede i e-cig aerosol når vaped under særlige betingelser13, omfatter formaldehyd, acetaldehyd, acetol, acrolein, glycidol og diacetyl, som alle er kendt for at have potent negative virkninger på menneskers sundhed, med Formaldehyd er en bevist kræftfremkaldende15,16,17. Derudover e-cig aerosol også er sammensat af fine (250-950 nm)18,19 og ultrafine (44-97 nm)20 partikler, som er kendt for at forårsage pulmonal toksicitet via betændelse og oxidativ stress mekanismer 17. baseret på sammensætningen af e-væske, dvs., procentdelen af enkelte komponenter til stede i formuleringen, samt spænding til e-cig-enhed, som påvirker den temperatur bruges til at ryge e-flydende, samlet partikler (TPM) koncentration af aerosol vil variere, og resultere i forskellige niveauer af partikler, samt koncentrationer af aldehyder, som har vist sig at være produceret under specifikke vaping betingelser19,21 . Disse aerosoler er indåndes af e-cig brugere, der kontrollerer spænding på deres e-cig enhed. Udvalg af spændingen, der er baseret på personlige præferencer af nikotin levering sats, aerosol produktion og brændende sensation12. Det er således bydende nødvendigt for bedre at forstå de særlige kendetegn ved disse aerosoler for at tilvejebringe videnskabelig dokumentation for tilstrækkelige bestemmelser om e-cig og e-væske produktion og forbrug.
I forbindelse med videnskabelig forskning, der er flere problemer, der skal løses, vedrører 1) de forskellige e-cig enhedskonfigurationer og drift indstillinger fra hvilken e-cig brugere kan vælge; 2) manglen standardiseret repræsentative menneskelige vaping topografi profiler anvendes i eksperimentel indstillinger22. Dette understreger det presserende behov for at harmonisere e-cig forskningsprotokoller, startende med e-cig aerosol generation og karakterisering teknikker22. Den nuværende undersøgelse fokuserer på denne udfordring ved at beskrive en detaljeret trin for trin e-cig aerosol generation teknik, med specifikke eksperimentelle parametre anses for at være realistisk og repræsentativt for virkelige eksponeringsscenarier. Denne undersøgelse også til formål at evaluere indflydelse af spænding på e-cig aerosol TPM-koncentration, som genereres ved hjælp af en tredje generation vaping enhed integreret i en kommerciel computerstyrede eksponering system konfigureret til mus hele kroppen indånding undersøgelser. Beskrivelsen af denne forsøgsplan, herunder produktion og karakterisering af e-cig aerosoler, kan bidrage til etableringen af repræsentative standardiserede e-cig stønnende regimer i et laboratorium indstilling efterfølgende toksikologiske undersøgelser.
En større ubesvarede spørgsmål er, om langtidseksponering til e-cig aerosol resulterer i pulmonal toksicitet. Desuden er den generelle sikkerhed af e-cigs vedrørende menneskers sundhed stadig et spørgsmål om kontroverser. I August 2016 udvidet den amerikanske FDA sin tilsynsmyndighed på alle tobaksvarer, herunder e-cigs. E-cig forskning, men er udfordrende og komplekse grund hovedsagelig til 1) manglen på standardiserede vurderinger; 2) den brede vifte af e-cig enheder (~ 2.800 forskellige modeller fra 466 identificerede mærker)24; 3) over 7.700 unikke e-liquid smag24; 4) de forskellige mulige kombinationer af fugtighedsbevarende middel nøgletal. Betragtning af kompleksiteten af feltet, det er nødvendigt, for at imødegå udfordringen og generere lyd videnskabelige beviser, at omhyggelige overvejelser om de eksperimentelle betingelser og reproducerbare processer er ansat. I den nuværende undersøgelse, blev fokus sat på beskrivelsen af en e-cig aerosol generation teknik, der kan aktivere efterforskerne at opnå unikke datasæt relateret til realistiske og omfattende e-cig aerosol eksponering-relaterede effekt continuums. Disse kan være af rettidig relevans for adresse cig-relateret sikkerhed eller toksicitet spørgsmål for etablering af forskrifter om e-cig designfunktioner, der potentielt kan have en direkte indflydelse på offentlige sundhedspolitikker.
I denne artikel, blev meningsfuld eksponering miljøer genereret ved hjælp af et computerstyret system kunne integrere den nyeste generation af e-cig enheder samt giver mulighed for foruddefinerede eller brugerdefinerede automatiseret stønnende profiler og sæt opererer betingelser (fx., konstant el-kilde, standard værdier af modstand, spænding eller temperatur). Disse automatiserede stønnende profiler omfatter de standardbetingelser: 55 mL puff volumen, 3 s puff varighed, 30 s puff interval og pladsen puff profil, fra “rutine analytiske maskine for e-cigaret aerosol generation – definitioner og standard betingelser”leveret af Coresta anbefalet metode (CRM) N ° 8125 (tabel 2). Da systemet bruges kan generere forskellige automatiseret stønnende profiler, overholder det også ISO 20768 (damptryk produkter – rutine analytiske vaping maskine – definitioner og standardbetingelser)26 stønnende regime krav. Som forventet, e-cig stønnende regime standardbetingelser kontrast med dem fra ISO 330827, som definerer standardbetingelser for cigaretrygning maskiner (35 mL puff bind 2 s puff varighed, 60 s puff interval og bell puff profil). Disse forskelle mellem cigaret rygning mønstre og e-cig vaping mønstre blandt brugerne er veletableret28. I den foreliggende undersøgelse, eksempler og oplysningerne vis at aerosoler genereret fra dette system og en tredje generation e-cig enhed med justerbar spænding giver høje TPM-koncentrationer, nåede op til 0,27 og 0,82 mg / 55 og 70 mL puff, henholdsvis. E-cig aerosoler ved disse koncentrationer blev indsamlet lige efter eksponering kammer (tabel 1-2, figur 5). Resultaterne viser også, at der er mere end en 160-fold forskel i partikelmassen pr. puff produceret med spændinger varierende fra 1,8 til 4.8 V (tabel 1). Denne spændingsområde er karakteristiske for drift indstillingerne for e-cig enheder på det amerikanske marked, som giver mulighed for anvendelse af spænding lige fra 2,9 til 5,2 V29. Resultaterne er også i overensstemmelse med tidligere udgivne data18,21 hvor høje niveauer af TPM indsamlet ved munding af e-cig generator blev rapporteret til lignende topografi profiler (1.4 til 5.8 mg/pust). Kritiske trin i protokollen omfatter tilføjelse af et par dråber af e-væske til forstøver før hver eksponering session for at sikre en) at ingen tørt brænde er produceret; b) e-væske er tilgængelige i beholderen under hele varigheden af eksponering; og kontrollere, at e-cig aerosol er genereret som forventet ved at tage regelmæssige aflæsninger på real-time koncentration måling enhed. Det er godt etableret, at e-cig brugere forsøger at undgå tørre pust, som forekommer i tørt brænde betingelser. Denne vaping betingelse er relateret til dannelsen af høje niveauer af aldehyder, herunder formaldehyd, et kendt kræftfremkaldende og respiratoriske giftstof13,30. Derfor, denne betingelse er at undgå under engagementerne, der er afgørende. Endelig, i form af nikotin eksponering, mus udsættes for e-cig aerosol fra en 36 mg/mL som indeholder nikotin e-væske i 2 timer pr. dag for 28 dage (niveauer af 0,12 mg/pust) præsenterede cotinine serumkoncentrationer af 91 ng/mL (figur 8); et niveau svarende til Cigaret rygere (> 100 ng/mL)31,32,33, som er endnu lavere end for regelmæssig e-cig brugere (median spyt cotinine 252 ng/ml)34. Det blev rapporteret i en vaping topografi undersøgelse at 235 var det maksimale antal puffs pr dag taget af e-cig brugere35,36. Dette er meget lig vores eksponering profil producerer 1 pust hver 30-sek for 2-h per dag (i alt 240 pust). Således, denne vaping topografi profil modeller e-cig brugere dagligt puff forbrug og adfærd.
I det sidste årti, e-cig enheder udviklet sig fra første generation, cigaret-lignende, engangsbrug, lav-drevne enheder, andengenerations flytbare og genopfyldning tank stil enheder, og nu tredje generation tank-stil enheder med tilpasselig indeholder24 for 1) forstøver spolen modstand: elementet ansvarlig for varme e-væske, og 2) magt controller, som en) kan fungere på forskellige spændinger, b) påvirker temperaturen på varmelegemet og c) bestemmer eller ej kogepunktet af løsningen er nået24,37. Under e-cig brug, e-væske opvarmes typisk på 200 ° C eller større38, og det er i den form af aerosoler, dens bestanddele interagerer med biologiske matricer. Karakterisering af e-cig aerosol er derfor afgørende. E-væsker opløsningsmidler varierer i volatilitet, så løsninger består hovedsagelig af PG (70%), som er mindre tyktflydende og fordampe ved en lavere temperatur37, producere aerosoler med relativt mindre partikler, der øger brugerens ‘hals hit’ oplevelse 20. på den anden side VG-baseret e-væsker aerosolize ved højere temperaturer37 og producere aerosoler med relativt større partikler, som fra et brugeroplevelse, øger smag og mængden af dampe genereret5, 17,39. Det er således tidligere fastslået, at PG/VG forholdet mellem e-væske påvirker størrelse fordelingen af partikler findes i e-cig aerosol19,20. Som vist i figur 5, ved hjælp af en e-væske komponeret af en 50/50 PG/VG ratio, e-cig aerosoler median diametre af ~ 100 nm blev indhentet. Disse resultater er i samme størrelsesorden som rapporteret af Baassiri, mfl. 20. det tyder på, at eksponering parametre, herunder e-cig indstillinger (modstand, spænding og strøm) og pustende profil, ud over e-væske-base, kan påvirke de fysiske egenskaber af aerosoler produceret. Derudover kan nikotin koncentration og aroma kemikalier tilføjet til e-væske-base også potentielt påvirke e-cig aerosol fysisk-kemiske egenskaber. Det var tidligere vist, at en e-væske, der er mindre tyktflydende producerer en aerosol, sammensat af finere partikler, hvilket resulterer i en mindre tæt damp, hvilket giver en lavere TPM koncentration17. Bruger samme PG/VG forhold for både e-væsker testet, syntes e-væske indeholdende 36 mg/mL af nikotin og kanel aroma kemiske, indebærer, at det er mere fortyndet end e-væske base kun (PG/VG + nikotin + kanel smag versus PG/VG alene), mindre tyktflydende end e-væske består udelukkende af PG og VG. Den tilsyneladende forskel i viskositet mellem de to e-væsker kan forklare forskelle i masse pr. puff opnået under lig e-cig vaping indstillinger (tabel 2). Dog kan lavere TPM ikke korrelerer med mindre skadelige aerosol, da partikelstørrelsesfordeling og kemiske karakterisering af aerosol skal også overvejes. Faktisk producerer af termisk nedbrydning af VG og de kemiske vekselvirkninger mellem komponenterne e-væske emissioner af skadelige aldehyder, herunder formaldehyd og acetaldehyd, kendt for at være potent trusler mod menneskers sundhed15,17 ,40. Som anført i tabel 3, afslørede den kemiske analyse af e-cig aerosol produceret her, at den også indeholdt acrolein, monochlorophenol, catechol og benzothiazol. Alle er kendt respiratorisk irritanter, mens catechol er desuden klassificeret som muligvis kræftfremkaldende for mennesker (gruppe 2B) Ifølge International Agency for forskning på Cancer (IARC)41,42,43 . Dette øger effekter relateret til kemi af smagsstof indarbejdet i e-væske. For eksempel, har cinnamaldehyd og diacetyl, to af smag og udtrække Manufacturers Association høj prioritet aroma kemikalier til respiratorisk fare, når den indåndes af arbejdstagere, vist sig at forringe lungefunktionen og forårsage uoprettelige lunge skader ( bronchiolitis obliterans, nemlig» popcorn lunge’)44. Cinnamaldehyd har vist sig at være stærkt cytotoksisk i vitro45,46,47 og er meget populær i e-væsker48. I den aktuelle undersøgelse fremgår tilstedeværelsen af cinnamaldehyd af e-cig aerosol fra kanel smag e-væske (tabel 3 og figur 7). Alt i alt viser dette nødvendigheden af at analysere e-cig aerosoler til, både fysiske og kemiske egenskaber.
Som nævnt ovenfor, kan den eksponering teknik beskrevet her være meget alsidigt. Det kan give mulighed for ændringer af ordningen stønnende (via software), af de operationelle funktioner af e-cig enhed eller endda eksponering kammer (kun for næse og hele kroppen) (via hardware) type. Dette giver investigator med al fleksibiliteten til at tilpasse eller justere forsøgsbetingelser nødvendigheden af hver forskningsprojekt. Fejlfinding af denne teknik omfatter at sikre, at forbindelserne mellem e-cig kondensator, rør, pumper og kamre er tilstrækkeligt sikret, og at alle kamre er ordentligt forseglet (for mere detaljerede oplysninger henvises til brugervejledning). Som bemærket og testet i denne undersøgelse, kan en række faktorer påvirke e-cig aerosol fremstilling og sammensætning22. Disse faktorer er associeret med nøgletal og bestanddele af den e-flydende formulering, der berører den kemiske komponent af aerosol, samt udvalgte e-cig enhed egenskaber og drift indstillinger, som påvirker de varme betingelser anvendes til aerosolize e-væske, og dermed sammensætning samt den fysiske komponent af aerosol. E-væsker er sammensat af GRAS tilsætningsstoffer til fødevarer, men deres sikkerhed efter opvarmning og aerosolization ikke er blevet etableret. Vigtigst, e-cig brugere indånde disse aerosoler og styre den stønnende profil samt valg af både e-væske og drift indstillinger (modstand og spænding) for deres e-cig enheder. Disse er vigtige faktorer, som væsentligt kan påvirke e-cig aerosol emissioner og bør derfor nøje kontrolleres og rapporteret i eksperimentel forskning.
Som mest eksperimentelle metoder har den nuværende e-cig eksponering teknik fordele og begrænsninger. Mens alsidig og velegnet til toksikologiske undersøgelser, er det også kendt at mus er næse-breathers og at hele kroppen engagementer også kan give mulighed for dermal og oral absorption ud over indånding eksponeringsvej. Fordele og ulemper ved at bruge hele kroppen og næse-only indånding engagementer er blevet beskrevet udførligt andetsteds49,50. Mens kun næse-engagementer mere nøje efterligne de inspiration/udløbsdatoen mønstre, der styrer transport og aflejring af partikler i luftvejene, denne tilstand af eksponering er mere stressende at dyrene og er ikke passende for langsigtet indånding undersøgelser ved hjælp af stort antal dyr49. Derudover de undersøgelser, som sammenlignede hele kroppen og næse-only engagementer i gnavere udsat ved inhalation til den samme giftstoffet under samme eksponeringsbetingelser (TiO2 nanopartikler, cigaretrøg) fandt ingen statistisk forskel mellem dem to tilstande af eksponering for lunge partikel deposition og lunge svar50,51. Siden virkninger fremkaldt af kronisk engagementer til e-cig aerosol er stort set udokumenteret og under-undersøgt, er e-cig eksponering systemet beskrevet i dette håndskrift nyttigt for kløften denne viden. Også, den tredje generation maskine-vaping enhed, der bruges i denne undersøgelse er orienteret i en vandret konfiguration. Der er en mulighed, at orienteringen af enheden kunne have en effekt på aerosol produktion; dog, at bedst af vores viden, for tredje generation e-cig enheder, variablen orientering er ikke blevet testet tidligere. Den horisontale retning er den foretrukne position for begynderen brugere af e-cig. Dette bidrager til at fremme bedre fugtspredende og minimerer risikoen for e-væske siver ud. Således, den horisontale retning er repræsentant for vaping opførsel af populationer af e-cig brugere og er blevet brugt af andre forskning grupper21. Det er også vigtigt at bemærke, at kraften vises på e-cig enheden afvige lidt fra den faktiske effekt der leveres til enheden22,52, og at det også kan derfor være tilrådeligt at måle strøm forsyning værdier eksternt eller bruge en ledning strømforsyning for en stabil forsyning af energi.
Der er en betydelig forskning og videnskløft for biomarkører for toksicitet forbundet med langvarig eksponering for e-cig aerosoler. Denne eksponering system er et skridt fremad på dette område ved at tillade efterforskere at fastslå virkningerne af langvarig indånding engagementer af dyr til aerosolmaterialer e-cig væske. Andre eksisterende e-cig eksponering metoder har også mulighed for at undersøge virkningen af puffing regime og indstillinger af e-cig enheder på toksikologiske endpoints19,20,22,53 . Systemerne eksponering vil bidrage til at give videnskabelige beviser for fremtidige forordninger på nye alternative tobaksvarer. I sidste ende vil godt gennemført og egnet toksikologiske undersøgelser bidrage til bedre at informere de politiske beslutningstagere, leverandører af sundhedsydelser og de 9 millioner amerikanere, der er e-cig brugere4. Vigtigst, bør eksponering-systemer, der ikke reproducere virkelige vaping scenarier undgås. E-væsker er typisk opvarmet ved 200 ° C eller højere temperaturer38 i en e-cig enhed, derfor bør scenarier hvor e-væske er simpelthen forstøvet, eller varmes til 37 ° C og derefter forstøvet8, ikke betragtes som repræsentativ for e-cig brugere forbrug. I øjeblikket, kan e-cig forbrugere nå potentielt skadelige e-cig aerosol konstituerende niveauer ved hjælp af designfunktioner af tredje generation e-cig enheder, der giver mulighed for justering af karakteristiske varme betingelser via ændringer i den forstøver spole modstand og batterispændingen. Derfor mere eksperimentelle undersøgelser er nødvendige for at bestemme sundhedsmæssige effekter relateret til kronisk indånding engagementer til e-cig aerosoler. Dette begynder ved at etablere reproducerbare og standardiserede e-cig eksponering systemer25,26. Således er har en alsidig e-cig eksponering system, der giver mulighed for en bred vifte af eksponeringsscenarier, herunder automatiseret repræsentative vaping topografi profiler, et aktiv med udførelsen af eksperimentelle undersøgelser.
The authors have nothing to disclose.
Dette projekt blev støttet af en bevilling (AP) fra Louisiana guvernørens bioteknologi initiativ GBI-BOR #013, samt ved Louisiana State University, School of Veterinary Medicine Fakultet start-up midler (AN).
inExpose complete solution – for electronic cigarette aerosol delivery to a 5L whole-body chamber, including eVic-VTC Mini (e-cig device, Joyetech) | SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc. | ||
flexiWare software | SCIREQ Scientific Respiratory Equipment Inc. | FW8 | |
Computer | Dell | Core 2 Duo | |
Tygon | Tygon | R-3603 | |
MicroDust Pro | Cassella | 176000A | |
Personal sampling pump | Sensidyne | Gilian BDX II | |
Glass fiber filter | Millipore | AP4002500 | |
Sampling cassette | Made in house | ||
Flow meter | TSI Inc. | 4100 series | |
Electronic cigarette liquid (e-juice) | Local vape shop | ||
Scanning mobility particle sizer | TSI Inc. | 3080 | |
Microbalance | Sartorius | MC5 Micro Balance |