Elektronisk cigarett (e-cig) användare ökar över hela världen. Lite, är dock känt om de hälsoeffekter som induceras av inhalerade e-cig aerosoler. Denna artikel beskriver en e-cig aerosol generation teknik passar djurens exponeringar och efterföljande toxikologiska studier. Sådana protokoll krävs för att fastställa experimentellt reproducerbara och standardiserade e-cig exponering system.
Elektro-cigarett (e-cig) enheter använder värme för att producera en inandningsbar aerosol från en vätska (e-vätska) består huvudsakligen av Fuktighetsbevarande medel, nikotin och smaktillsats kemikalier. Aerosolen produceras innehåller fina och ultrafina partiklar, och potentiellt nikotin och aldehyder, som kan vara skadliga för människors hälsa. E-cig användare inhalera dessa aerosoler och med den tredje generationen e-cig enheter, styra designfunktioner (resistance och spänning) förutom valet av e-vätskor och pustande profil. Dessa är viktiga faktorer som avsevärt kan påverka toxiciteten av de inhalerade aerosoler. E-cig forskning, men är utmanande och komplexa främst på grund av avsaknad av standardiserade bedömningar och att de många sorterna av e-cig modeller och märken, och e-liquid smaker samt lösningsmedel som finns tillgängliga på marknaden. Dessa överväganden betona det brådskande behovet av att harmonisera e-cig forskningsprotokoll, börjar med e-cig aerosol generation och karakterisering tekniker. Den aktuella studien fokuserar på denna utmaning genom att beskriva en detaljerad steg för steg e-cig aerosol generation teknik med vissa experimentella parametrar som tros vara realistiska och representativ för verkliga exponeringsscenarier. Metoden är uppdelad i fyra sektioner: förberedelser, exponering, efter exponering analys, plus rengöring och underhåll av enheten. Representativa resultat från att använda två typer av e-vätska och olika spänningar presenteras masskoncentrationen, partikelstorleksfördelning, kemiska sammansättning och kotinin nivåer hos möss. Dessa data visar mångsidigheten hos e-cig exponering systemet används, bortsett från dess värde för toxikologiska studier, eftersom det ger ett brett spektrum av datorstyrda exponeringsscenarier, inklusive automatiserad representativa vaping topografi profiler.
Säkerhet relaterade till användning av elektroniska cigaretter (e-cigs) handlar om aktiv debatt i forskarvärlden. Å ena sidan annonsera tillverkare och handlare de potentiella fördelarna med e-cigs som en skada minskning produkt för nuvarande rökare, på grund av avskaffande av många skadliga ämnen som finns i vanliga cigaretter, medan folkhälsa politiska beslutsfattare är oroliga av avsaknad av data på långsiktiga hälsa exponeringar1,2. E-CIGS tjäna minst två tydliga syften, 1) som ersättningsfordon för leverans av nikotin och 2) som en rökning rökavvänjning enhet3. Enligt Centers for Disease Control and Prevention (CDC), under 2014 använde mer än 9 miljoner vuxna amerikaner e-cigs regelbundet. Från 2013 till 2014, e-cig användning bland gymnasieelever ökade med mer än 300%4. Med tanke på den ökande användningen av e-cigs bland ungdomar såväl som vuxna1,2,4, och med tanke på de populära, men ändå oprövad, påståenden om e-cigs som ett säkrare alternativ för rökare behöver viktiga vetenskapliga frågor ställas till avgöra huruvida e-cig användning utgör potentiella risker för människors hälsa, särskilt som av andningsorganen1,2. Även om e-cigs var först kommersialiseras i USA 2007, endast mycket begränsade studier genomförts ute på effekterna av e-cig aerosol exponeringar i vitro och lung struktur, funktion och hälsa5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. därför, in vitro-, in-vivo och epidemiologiska data är nödvändiga för att upprätta offentlig politik och förordningar relaterade till konsumtion av e-cigs. Produktion av tillförlitliga och reproducerbara vetenskapliga bevis i detta framväxande område först kräver dock inrättandet av standardiserade e-cig tuffande regimer och generering av reproducerbara exponering miljöer i laboratoriemiljö som är reflekterande av livsmedel.
Tredje generationens e-cig, tillgängliga enheter på marknaden, består av minst en värmeslinga (atomizer) plus ett litiumbatteri. E-cig enhetens makt controller kan fungera på olika spänningar. Dessa e-cig enheter har också en reservoar, som e-cig vätskan (e-vätska) introduceras. E-vätska, även kallad e-juice, består huvudsakligen av nikotin, smaker och carrier lösningsmedel (Fuktighetsbevarande medel), ofta propylen glycol (PG), vegetabiliskt glycerin (VG) och vatten. Sedan, enligt den US Food and Drug Administration (FDA), e-vätskor består av en blandning av ”allmänt betraktas som säkra” (GRAS) livsmedelstillsats smaktillsats kemikalier och Fuktighetsbevarande medel, plus nikotin, kan de betraktas som säkra i mat. Men när dessa vätskeberedningar är vaped genom e-cig enheten, värms de av förångaren, som ändrar fysikalisk-kemiska egenskaper för e-vätskan, och producerar en aerosol eller ånga som innehåller carbonyls, mer specifikt aldehyd föreningar12,13. Dessa aldehyder bildas av termisk nedbrytning och oxidation av glykoler, som också ger bildandet av hydroxyl radikaler14,15,16,17. De aldehyder som finns i e-cig Aerosolen när vaped under särskilda villkor13, innehåller formaldehyd, acetaldehyd, acetol, akrolein, glycidol och diacetyl, varav alla är kända för att ha potent negativa effekter på människors hälsa, med formaldehyd är en bevisat cancerframkallande15,16,17. Dessutom e-cig aerosol också består av böter (250-950 nm)18,19 och ultrafina partiklar (44-97 nm)20 , som är kända att orsaka pulmonell toxicitet genom inflammation och oxidativ stress mekanismer 17. baserat på sammansättningen av den e-vätska, dvs., procentandelen av enskilda komponenter som finns i formuleringen, liksom spänningen tillämpas på e-cig enheten, vilket påverkar temperaturen brukade vape e-vätskan, totalen partiklar (TPM) koncentrationen av Aerosolen varierar, och resultera i olika nivåer av partiklar, liksom koncentrationerna av aldehyder, som har visat att produceras enligt specifika vaping villkor19,21 . Dessa aerosoler inandning av e-cig användarna, som kontrollerar spänningen i sin e-cig-enhet. Urval av spänningen är baserad på personliga preferenser av nikotin leveransgrad, aerosol produktion och brännande sensation12. Därför är det nödvändigt att bättre förstå vad som kännetecknar dessa aerosoler för att ge vetenskapliga bevis för tillräckliga bestämmelser som styr e-cig, e-vätska tillverkning och konsumtion.
I samband med vetenskaplig forskning, finns det flera problem som behöver åtgärdas besläktade med 1) de olika e-cig enhetskonfigurationer och alternativ för användare kan välja från vilken e-cig; (2) bristen på standardiserade representativa mänsklig vaping topografi profiler som ska användas i experimentella inställningarna22. Detta understryker det brådskande behovet av att harmonisera e-cig forskningsprotokoll, börjar med e-cig aerosol generation och karakterisering tekniker22. Den aktuella studien fokuserar på denna utmaning genom att beskriva en detaljerad steg för steg e-cig aerosol generationens teknik, med specifika experimentella parametrar anses vara realistiska och representativt av verkliga exponeringsscenarier. Denna studie syftar också till att utvärdera påverkan av spänning på e-cig aerosolens TPM koncentration, som genereras med hjälp av en tredje generationens vaping anordning integrerad i en kommersiell datorstyrda exponering system konfigurerats för möss hela kroppen inandning studier. Beskrivningen av detta experimentella protokoll, inklusive generering och karakterisering av e-cig aerosoler, kan bidra till inrättandet av representant standardiserade e-cig tuffande regimer i ett laboratorium som inställning för efterföljande toxikologiska studier.
En större obesvarad fråga är huruvida långvarig exponering för e-cig aerosol resulterar i pulmonell toxicitet. Den allmänna säkerheten för e-cigs avseende människors hälsa är dessutom fortfarande en fråga om kontroversen. I augusti 2016 expanderat amerikanska FDA dess regleringsmyndigheten på alla tobaksvaror, inklusive e-cigs. E-CIG forskning, dock är utmanande och komplexa beror mestadels till 1) avsaknad av standardiserade bedömningar. (2) en stor mängd e-cig enheter (~ 2 800 olika modeller från 466 identifierade varumärken)24; (3) över 7 700 unika e-vätska smaker24; (4) de olika möjliga kombinationer av fuktighetsbevarande nyckeltal. Med tanke på komplexiteten i fältet, det är viktigt, för att möta utmaningen och generera ljud vetenskapliga bevis, att noggranna överväganden till de experimentella förhållandena och reproducerbara processer är anställda. I den aktuella studien lades fokus på beskrivningen av en e-cig aerosol generationens teknik som kan aktivera utredarna att erhålla unika uppsättningar data relaterade till realistiska och omfattande e-cig aerosol exponeringsrelaterade effekt continuums. Dessa kan vara lägligt relevans för adress e-cig-relaterad säkerhet eller toxicitet frågor för etableringen av förordningar på e-cig designfunktioner som potentiellt kan ha en direkt inverkan på folkhälsopolitik.
I denna artikel genererades meningsfull exponering miljöer med en datorstyrd system kunna integrera den senaste generationen av e-cig enheter samt gör att fördefinierade eller användardefinierade automatiserade tuffande profiler och drift villkor (t.ex., konstant ström källa, Standart värderar av motstånd, spänning eller temperatur). Dessa automatiserade tuffande profiler inkluderar standardvillkoren: 55 mL puff volym, 3 s puff varaktighet, 30 s puff intervall och torget puff profil, från ”rutin analytiska maskin för e-cigarett aerosolbildning och insamling – definitioner och standard villkor ”som tillhandahålls av Coresta rekommenderas metoden (CRM) N ° 8125 (tabell 2). Eftersom det system som används kan generera olika automatiserade tuffande profiler, även uppfyller ISO 20768 (ånga produkter-rutin analytiska vaping maskin-definitioner och standardvillkor)26 tuffande regim krav. Som väntat, e-cig tuffande regimen standardvillkor kontrast med de från ISO 330827, som definierar standardvillkor för cigarettrökning maskiner (35 mL puff volym, 2 s puff varaktighet, 60 s puff intervall och bell puff profil). Dessa skillnader mellan cigarett rökare mönster och e-cig vaping mönster bland användarna är väl etablerad28. I föreliggande studie, exempel och uppgifter Visa att aerosoler som genereras från detta system och en tredje generationens e-cig enhet med justerbar spänning producerar höga TPM koncentrationer, når upp till 0,27 och 0,82 mg per 55 och 70 mL puff, respektive. E-cig aerosoler vid dessa koncentrationer samlades just efter exponering kammaren (tabell 1-2, figur 5). Resultaten visar också att det finns mer än en 160-fold skillnad i partikelmassan per puff produceras med spänningar varierande från 1,8 till 4.8 V (tabell 1). Detta spänningsintervall är kännetecknande för operativa inställningarna för e-cig-enheter på den amerikanska marknaden, som möjliggör tillämpningen av spänning, från 2,9 till 5,2 V29. Resultaten överensstämmer också med tidigare publicerade data18,21 där höga halter av TPM samlas in vid utloppet av e-cig generatorn rapporterades för liknande topografi profiler (1,4 till 5,8 mg/puff). Kritiska steg inom protokollet inkluderar att lägga till några droppar e-vätska till förångaren innan varje exponering session att säkerställa en) att produceras ingen torr bränna; (b) e-vätska finns i tanken under hela varaktigheten av exponeringen; och kontrollera att den e-cig Aerosolen genereras som förväntat genom att ta regelbundna avläsningar på realtid koncentration mätning enheten. Det är väletablerat att e-cig användare försöka undvika torr puffar, som förekommer i torra burn villkor. Detta vaping tillstånd är relaterad till bildandet av höga nivåer av aldehyder, inklusive formaldehyd, ett cancerframkallande och respiratoriska toxiska13,30. Det är därför avgörande att säkerställa att detta villkor undviks under exponeringarna. Slutligen, när det gäller nikotin exponering, möss utsätts för e-cig aerosol från en 36 mg/mL som innehåller nikotin e-vätska för 2 h per dag för 28 dagar (nivåer av 0,12 mg/puff) presenteras kotinin serumkoncentrationerna av 91 ng/mL (figur 8). en nivå liknande den i cigarett rökare (> 100 ng/mL)31,32,33, vilket är ännu lägre än för vanliga e-cig användare (median saliv kotinin 252 ng/ml)34. Det rapporterades i en vaping topografi studie att 235 var maximalt antal puffar per dag som tas av e-cig användare35,36. Detta liknar mycket vår exponering profil producerar 1 puff varje 30-SEK för 2-h per dag (totalt 240 puffar). Således, denna vaping topografi profil modeller e-cig användare daglig puff konsumtion och beteende.
Under det senaste årtiondet, e-cig enheter utvecklats från första generationens, cigarett-liknande, engångsbruk, låg-drivna enheter, till andra generationens flyttbara och påfyllningsbara tank stil enheter, och nu till tredje generationens tank-stil enheter med anpassningsbara har24 för 1) förångarens coil motstånd: elementet ansvarar för värme e-vätskan, och 2) de makt controller, som en) kan fungera på olika spänningar, b) påverkar temperaturen i värmeelementet och c) avgör huruvida den kokande temperaturen lösning nås24,37. Vid användning av e-cig, e-vätskan värms vanligtvis vid 200 ° C eller större38, och det är i aerosolform som dess beståndsdelar interagerar med biologiska matriser. Karakterisering av e-cig aerosol är därför viktig. E-vätskor lösningsmedel skiljer sig i volatiliteten så att lösningar består huvudsakligen av PG (70%), som är mindre trögflytande och avdunsta vid en lägre temperatur37, producerar aerosoler med relativt mindre partiklar som ökar användarens ‘hals hit’ erfarenhet 20. däremot, VG-baserade e-vätskor aerosolize vid högre temperaturer37 och producera aerosoler med relativt större partiklar som från användarens upplevelse, ökar smaken och mängden ånga genereras5, 17,39. Således har det tidigare fastställts att PG/VG förhållandet mellan e-vätskan påverkar fördelningen av storlek av ju partiklar i e-cig aerosol19,20. I figur 5visas med hjälp av en e-liquid består av 50/50 PG/VG förhållandet, e-cig aerosoler med median diametrar av ~ 100 nm erhölls. Dessa resultat är i samma storleksordning som de rapporteras av Baassiri, et al. 20. Detta tyder på att exponering parametrarna, inklusive e-cig-inställningar (motstånd, spänning och ström) och pustande profil, förutom e-vätska basen, kan påverka de fysiska egenskaperna hos de aerosoler som produceras. Dessutom kan nikotin koncentrationen och smaktillsats kemikalier tillsätts e-vätska basen också potentiellt påverka e-cig aerosol fysikalisk-kemiska egenskaper. Tidigare visades det att en e-liquid som är mindre trögflytande producerar en aerosol som består av finare partiklar, vilket resulterar i en mindre tät ånga, vilket ger en lägre TPM koncentration17. Använder samma PG/VG förhållande för både e-vätskor testade, verkade den e-liquid som innehålla 36 mg/mL av nikotin och kanel smaktillsats kemiska, vilket innebär att det är mer utspädd än e-vätska basen bara (PG/VG + nikotin + kanelsmak kontra PG/VG ensam), mindre trögflytande än e-vätskan består enbart av PG och VG. Viskositet uppenbara skillnaden mellan de två e-vätskorna kan förklara skillnaderna i massan per puff som erhållits under lika e-cig vaping inställningar (tabell 2). Dock kan lägre TPM inte korrelerar med mindre skadliga aerosol, eftersom fördelningen av partiklarnas storlek och kemisk karakterisering av Aerosolen måste också beaktas. Faktiskt, termisk nedbrytning av VG och de kemiska interaktioner av e-vätska komponenter producera utsläpp av skadliga aldehyder, inklusive formaldehyd och acetaldehyd, kända för att vara potenta hot mot människors hälsa15,17 ,40. Som anges i tabell 3, visade kemiska analysen av e-cig Aerosolen produceras här att det också innehöll akrolein, monochlorophenol, katekol och bensotiazol. Alla är kända respiratoriska irriterande, medan katekol är dessutom klassad som möjligen cancerframkallande för människor (Grupp 2B) enligt International Agency på forskning på Cancer (IARC)41,42,43 . Detta lägger till effekter relaterade till kemin av smaktillsats agent införlivas med e-vätska. Till exempel har kanelaldehyd och diacetyl, två av smak och extrahera Manufacturers Association högprioriterade smaktillsats kemikalier för fara för andningsorganen, vid inandning av arbetstagare, visat att försämrar lungfunktionen och orsaka oåterkalleliga lung skador ( bronkiolit obliterans, nämligen ”popcorn lunga’)44. Kanelaldehyd har visat sig vara mycket cytotoxisk in vitro-45,46,47 och är mycket populär i e-vätskor48. I den aktuella studien identifierades förekomst av kanelaldehyd i e-cig aerosolen från kanel smaksatt e-vätskan (tabell 3 och figur 7). Sammantaget visar detta att behöva analysera e-cig aerosoler för både fysiska och kemiska egenskaper.
Som nämnts ovan, kan den exponering teknik som beskrivs här vara extremt mångsidig. Det kan medge ändringar av pustande regimen (via programvaran), operativa funktioner e-cig enheten eller ens typ av exponeringskammare (endast näsa och hela kroppen) (via maskinvara). Detta ger utredaren med all flexibiliteten att anpassa eller justera de experimentella förhållandena av behovet av varje forskningsprojekt. Felsökning av denna teknik omfattar att säkerställa att anslutningarna mellan e-cig kylaren, rör, pumpar och chambers är tillräckligt säkrade och att alla kamrarna är ordentligt tätade (för mer detaljerad information, se bruksanvisning). Som nämnts och som testas i denna studie, kan en mängd olika faktorer påverka e-cig aerosol produktion och sammansättning22. Dessa faktorer är associerade med de nyckeltal och beståndsdelarna i de e-liquid formulering, som påverkar den kemiska komponenten i aerosoler, liksom de valda e-cig enheten egenskaperna och inställningar, som påverkar värme förutsättningarna används för att aerosolize e-vätska, och därmed sammansättning samt den fysiska komponenten av aerosoler. E-vätskor består av GRAS tillsatser, men deras säkerhet efter värme och aerosolization har inte fastställts. Viktigast av allt, e-cig användare inhalera dessa aerosoler och styra tuffande profilen samt valet av både e-vätska och operativa inställningarna (motstånd och spänning) för sina e-cig-enheter. Dessa är viktiga faktorer som väsentligt kan påverka e-cig aerosol utsläppen och bör därför noggrant kontrolleras och rapporteras i experimentell forskning.
Som mest experimentella metoder har nuvarande e-cig exponering tekniken fördelar och begränsningar. Mångsidig och väl lämpad för toxikologiska studier, är det också känt att möss är näsa-breathers och att hela kroppen exponeringar kan också för dermal och oral absorption förutom exponering Inandning. Fördelar och nackdelar med att använda hela kroppen och näsa-bara inandning exponeringar har varit beskrivs utförligt på annan plats49,50. Medan endast näsa-exponeringar efterlikna närmare inspiration/utgångsdatum mönster som styr transport och nedfall av partiklar i luftvägarna, detta läge av exponering är mer stressande för djuren och är inte lämplig för långvarig inandning studier med stort antal djur49. Dessutom de studier som jämfört med hela kroppen och näsa-bara exponeringar i gnagare exponerats via inhalation till den samma människor på samma villkor exponering (TiO2 nanopartiklar, cigarettrök) fann ingen statistisk skillnad mellan dem två lägen exponering för lung partikel nedfall och lung Svaren50,51. Eftersom effekterna induceras av kronisk exponering för e-cig aerosol är till stor del papperslösa och under-undersökt, är e-cig exponering systemet beskrivs i detta manuskript användbar för att överbrygga detta kunskapsglapp. Också, den tredje generationens maski-vaping anordning som används i denna studie är orienterade i en horisontell konfiguration. Det finns en möjlighet att orientering på enheten kan ha en effekt på produktionen av aerosol; dock till bäst av vår kunskap, för tredje generationens e-cig enheter, har variabeln läggning inte testats tidigare. Horisontell orientering är önskad position för nybörjare användare av e-cig. Detta bidrar till att främja bättre fuktspridande och minimerar riskerna med e-vätska läcker. Således, horisontell orientering är representativt för vaping beteenden av populationer av e-cig användare och har använts av andra forskning grupper21. Det är också viktigt att notera att den makt som visas i e-cig-enheten kan skilja sig något från den verkliga effekt som levereras till den enhe22,52, och att därför också kan det vara tillrådligt att mäta makt leverans värden externt eller använda en sladd stickkontakt för en stadig tillförsel av energi.
Det finns en betydande forskning och kunskapsklyftan för biomarkörer för toxicitet associerad med långvarig exponering för e-cig aerosoler. Denna exponering system utgör ett steg framåt på detta område genom att låta utredarna att avgöra effekterna av långvarig inandning exponeringar av djur till aerosolized e-cigg vätska. Andra befintliga e-cig exponering metoder har också möjlighet för att undersöka effekterna av pustande regim och inställningar av e-cig på toxikologiska ändpunkter19,20,22,53 . Dessa exponering system kommer att ge vetenskapliga bevis för framtida förordningar om nya alternativa tobaksvaror. Slutändan, väl genomförd och lämpliga toxikologiska studier hjälper bättre informera de politiskt ansvariga, vårdgivare och de 9 miljoner amerikaner som är e-cig användare4. Viktigast av allt, bör exponering system som inte återger verkliga vaping scenarier undvikas. E-vätskor är normalt uppvärmda vid 200 ° C eller högre temperaturer38 i en e-cig-enhet, därför bör situationer där e-vätskan är helt enkelt nebulized, eller värmas till 37 ° C och sedan nebulized8, inte betraktas som representativa för e-cig användare konsumtion. För närvarande kan e-cig konsumenter nå potentiellt skadliga e-cig aerosol konstituerande nivåer med hjälp av designfunktioner av tredje generationens e-cig enheter som möjliggör justering av särskiljande värme villkor via förändringar i förångarens coil motstånd och batterispänningen. Därför, mer experimentella studier behövs för att bestämma hälsa effekter relaterade till kronisk inandning exponeringar mot e-cig aerosoler. Detta börjar genom att upprätta reproducerbara och standardiserade e-cig exponering system25,26. Således, att ha en mångsidig e-cig exponering system som möjliggör ett brett spektrum av exponeringsscenarier, inklusive automatiserad representativa vaping topografi profiler, är en tillgång för genomförandet av experimentella studier.
The authors have nothing to disclose.
Projektet stöddes av bidrag (AP) från Louisiana guvernörens bioteknik initiativ GBI-BOR #013, liksom av Louisiana State University, School of Veterinary Medicine start-up fakultetsmedel (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 |