第三代机械 Vaping 装置生成电子烟气溶胶: 毒理学研究的应用

Chemistry
 

Summary

电子卷烟 (电子烟) 用户正在全球范围内增长。然而, 很少人知道吸入电子烟气溶胶引起的健康影响。本文介绍了一种适合于动物暴露和随后的毒理学研究的电子烟雾气溶胶生成技术。这些协议需要建立实验性的可重复和标准化的电子烟暴露系统。

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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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Abstract

电子香烟 (电子烟) 装置使用热量从液体 (电子液体) 中产生可吸入的气溶胶, 主要由保湿、尼古丁和香料化学物质组成。所产生的气溶胶包括细和超细微粒, 以及潜在的尼古丁和醛, 这可能对人体健康有害。电子烟用户吸入这些气溶胶, 并与第三代电子烟雾装置, 控制设计特点 (电阻和电压) 除了选择电子液体和膨化剖面。这些是可以显著影响吸入气溶胶毒性的关键因素。然而, 电子烟的研究是具有挑战性和复杂的, 主要是由于缺乏标准化的评估和许多品种的电子烟模型和品牌, 以及电子液体风味和溶剂, 在市场上可用。这些考虑突出了迫切需要统一电子烟研究协议, 从电子烟雾气溶胶的产生和表征技术开始。目前的研究侧重于这一挑战, 描述了一个详细的分步电子烟雾气溶胶生成技术, 具有特定的实验参数, 被认为是现实的和代表性的现实生活的曝光情况。该方法分为四个部分: 准备, 曝光, 曝光后分析, 再加上清洁和维护的设备。以小鼠的质量浓度、粒径分布、化学成分和可替宁可水平为依据, 提出了使用两种电子液体和不同电压的代表性结果。这些数据显示了电子烟暴露系统的通用性, 除了它对毒理学研究的价值外, 因为它允许广泛的计算机控制的曝光场景, 包括自动化代表性 vaping 地形剖面。

Introduction

与使用电子香烟有关的安全 (电子 cigs) 是科学界积极辩论的问题。一方面, 由于消除了传统卷烟中的许多有害物质, 制造商和商家将电子 cigs 的潜在好处宣传为目前吸烟者的一种减少危害的产品, 而公共卫生政策决策者担心缺乏关于长期人类健康暴露的数据1,2。电子 cigs 至少提供两个不同的目的, 1) 作为一个替代的运载工具, 作为尼古丁和2的一个戒烟装置3。根据疾病控制和预防中心 (CDC), 2014年, 900万多名成年美国人定期使用电子 cigs。从2013年到 2014, 高中生的电子烟使用量增加了 300%4以上。鉴于在青年和成年人中使用电子 cigs 的情况日益增加,124, 并考虑到流行的, 但未经证实的, 关于电子 cigs 作为一种更安全的吸烟替代品的说法, 需要解决的关键科学问题是确定电子烟的使用是否对人类健康, 特别是呼吸系统12造成潜在风险。尽管电子 cigs 在2007年首次商业化, 但对 e 烟气溶胶的体外照射对肺结构、功能和整体健康的影响, 仅进行了有限的研究5,6,7,8,9,10,11. 因此, 在体外,在体内和流行病学数据是帮助制定与消费电子 cigs 有关的公共政策和条例的必要条件。然而, 在这一新兴领域生产可靠和可重复的科学证据首先需要建立标准化的电子烟膨化制度, 并在实验室设置中产生可重现的暴露环境, 这是人类消费的反映。

第三代电子烟设备, 可在市场上, 由至少一个加热线圈 (雾化器) 加上锂电池。该电子烟装置的电源控制器可以在不同的电压下运行。这些电子烟的装置也有一个水库, 其中电子烟液体 (电子液体) 被介绍。电子液体, 也称为电子果汁, 主要由尼古丁、香料和载体溶剂 (保湿), 通常是丙烯乙二醇 (PG), 植物甘油 (VG) 和水组成。根据美国食品和药物管理局 (FDA) 的数据, 电子液体是由 "一般认为安全" (肝) 食品添加剂调味化学品和保湿, 加上尼古丁, 它们可以被认为是安全的食品。然而, 当这些液体配方 vaped 通过电子烟装置, 它们被加热的雾化器, 这改变了电子液体的物理化学性质, 并产生一个气溶胶或蒸汽含有羰基, 更确切地说醛化合物12,13。这些醛是由热降解和氧化乙二醇, 也产生羟基自由基14,15,16,17形成。当 vaped 在特定条件下13时, 在电子烟气溶胶中存在的醛类, 包括甲醛、乙醛、acetol、丙烯醛、可用缩水甘油和双乙酰, 这些都已知对人体健康有很强的负面影响,甲醛是一个被证实的人类致癌物质15,16,17。此外, 电子烟气溶胶还由细 (250-950 nm)18,19和超细 (44-97 nm)20粒子组成, 已知通过炎症和氧化应激机制导致肺部毒性。17. 根据电子液体的组成, i. e., 在配方中存在的单个组分的百分比, 以及用于电子烟装置的电压, 这影响到用于 vape 电子液体的温度, 总气溶胶的颗粒物质 (TPM) 浓度将变化, 并导致不同水平的颗粒, 以及醛的浓度, 已证明是在特定的 vaping 条件下生产19,21.这些气溶胶被电子烟的使用者吸入, 这些用户控制其电子烟装置的电压。电压的选择是基于个人对尼古丁传递速率、气溶胶产生和燃烧感觉12的偏好。因此, 必须更好地了解这些气溶胶的特点, 以便为有关电子烟和电子液体制造和消费政策的适当条例提供科学证据。

在科学研究的背景下, 有几个问题需要与1相关的解决), 各种电子烟的设备配置和操作选项, 由电子用户可以选择;2) 缺乏标准化代表性的人类 vaping 地形剖面, 用于实验设置22。这突出了迫切需要统一电子烟研究协议, 从电子烟雾气溶胶产生和表征技术22开始。目前的研究侧重于这一挑战, 描述了一步一步的电子烟雾气溶胶生成技术, 具体的实验参数被认为是现实的, 并代表现实生活中的暴露场景。本研究还旨在评估电压对电子烟雾气溶胶的 TPM 浓度的影响, 这是使用第三代 vaping 装置集成到一个为小鼠全身吸入而配置的商用计算机控制曝光系统中生成的。研究。对这一实验性协议的描述, 包括电子烟雾气溶胶的产生和表征, 有助于在实验室环境中建立具有代表性的标准化的电子烟膨化机制, 以供随后的毒理学研究。

Protocol

老鼠被安置和处理符合 NIH 指南为关心和使用实验动物。所有涉及老鼠的程序和协议都得到路易斯安那州立大学动物保育和使用委员会的批准。下文所提供的说明具体适用于材料/设备表中规定的所用设备。所有的空气供应都是高效过滤的。

1. 准备

  1. 学习 & 设备
    1. 获得必要的批准 (例如, IACUC) 和学习培训。
    2. 在通风良好的地方设置设备, 熟悉其操作。
  2. 重量测量
    1. 重一个全新的 25 mm 过滤器。记录重量。将过滤器放在卡带中。
    2. 将卡带与过滤器放在一起, 与个人取样泵和流量计配合, 以测试流量为1升/分 (山泥倾泻)。
  3. 电子卷烟设备
    1. 把喷雾器拧进油箱底座 (图 1)。
      注: 喷嘴含有电阻0.15、0.5 或1.5 Ω的线圈。
    2. 关键步骤: 添加几滴 (2 到 3) 的电子烟液体进入雾化器, 以确保棉花饱和, 不会造成干燥烧伤 (图 2)。
    3. 将油箱套筒插入油箱内。然后, 用喷雾器把油箱底座拧进油箱套筒 (图 1)。
    4. 把组装的油箱拧到电子烟单元上。确保油箱开口朝上, 把盖子放在油箱顶部 (图 1)。
    5. 通过旋转电磁阀的跌落臂, 将电子烟单元放在基板上。到位时, 将其旋转回原处, 以便它可以与电子烟单元上的触发器按钮对齐。
    6. 通过双向阀门附件和一条油管将电子烟单元的末端连接到冷凝器的下部 (图 3)。
    7. 确保冷凝器的上端通过适当的油管正确连接到气溶胶生成系统和气溶胶曝光室。
    8. 关键步骤: 验证气溶胶浓度测量仪器是否在气雾剂曝光室的出口处到位。
    9. 关键步骤: 卸下油箱盖, 用10毫升的电子液体填充油箱。更换油箱盖。
      注: 此卷足以用于2小时曝光期。

2. 曝光

  1. 软件连接
    1. 在实验当天, 打开电脑。切记还要通过手动按下电源按钮来打开气溶胶浓度测量仪器。
    2. 启动操作软件。单击实验会话。选择适当的研究。选择电子香烟实验的模板。
    3. 在 "新建实验" 窗口中, 输入实验会话的名称。在 "实验属性" 窗口中, 在 "运算符" 框中键入运算符缩写。单击"确定"
  2. 通道校准
    1. 按照校准向导中的步骤进行操作, 以充分校准气溶胶生成系统。
      1. 步骤 1: 在确认气溶胶浓度测量仪器 (MicroDust Pro) 框中有复选标记后, 在通道校准窗口上单击 "下一步"。
      2. 步骤 2: 在应用值窗口中, 单击 "下一步"。步骤 3: 输入目标值输入为0克/米3。步骤 4: 将 T 形校准插入到插槽中以完成校准过程, 然后按 "下一步" 进入下窗口。
      3. 输入在气溶胶浓度测量仪器上读取的值。输入此值后按 "下一步"。查看校准结果窗口, 然后单击 "下一步"。
    2. 最后一步: 在校准完成窗口中, 单击 "完成"。对于系统流测试, 在测试窗口中, 测试泵1和 2 (参考用户手册)。
    3. 确认-"您想开始记录连续数据吗?", 单击 ""。确认-"是否要启动默认配置文件?", 单击 ""。
  3. 电子烟气溶胶暴露
    1. 如果进行体内吸入研究, 此时将小鼠置于全身暴露室中。
    2. 立即转到 "配置文件" 窗口, 右键单击所需的配置文件, 向下滚动以启动任务, 以启动在曝光室内的新鲜空气的偏置流。
    3. 当准备启动电子烟雾气溶胶生成和曝光实验时, 右键单击配置文件窗口中所需的配置文件, 向下滚动到开始任务, 然后向左单击以选择 (图 4)。
    4. 关键步骤: 记录气溶胶浓度测量仪器测量的浓度。浓度应 > 0 毫克/米3
      注: 该设备的工作原理是基于光学检测, 用于在该系统中提供实时的质量评估的曝光水平在会议厅内。
    5. 确保在整个曝光期间, 电子液体在水箱中可用。
    6. 要在达到所需的曝光持续时间后停止实验, 请右键单击该配置文件, 向下滚动以停止配置文件,然后向左单击以选择。确保在曝光剖面完成后立即启动偏置流。
    7. 从曝光室移除对象 (动物), 并将其返回到其住房笼和房间。

3. 曝光后分析

  1. 在实验课结束时, 关闭操作软件, 关闭气溶胶浓度测量装置。
  2. 将卡带与泵中的过滤器分离, 并记录取出时的时间。将过滤器放在干燥中, 使过滤器至少干燥48小时 (最好为96小时)。然后, 用累积的 e 烟气溶胶粒子对过滤器进行称量, 并记录重量。
  3. 计算总颗粒物 (TPM) 浓度的质量每粉扑23
    1. 记录过滤器上累积的质量。使用取样持续时间和泵流量计算暴露期间取样的总容积。
    2. 将过滤器上收集的质量除以空气量。
      : TPM 浓度以每容积单位的重量表示。将 TPM 浓度除以使用的电子烟剖面所产生的喷吹总数。

4. 清洁和保养

  1. 将电子液体从电子烟罐中倒入, 用所附注射器将冷凝器清空。确保雾化线圈在实验过程中没有燃烧。每次实验后更换雾化线圈。
  2. 每次实验后都要清洗水泵。分离泵头, 卸下接头和阀门。使用棉签或纸巾擦拭多余的电子液体或积累的水分。
  3. 清洁全身接触室。按照制造商的指示, 从所有表面清除任何凝聚的电子液体。
    注: 建议避免使用酒精, 因为它可能导致不可逆转的损害。

Representative Results

表 1显示了在 e 烟气溶胶产生后的 5 L 全身腔内暴露环境的特征。这些数据是一个2小时曝光会话的结果, 只有载体溶剂电子液体基地, i., 50/50 的 PG 和 VG 在没有香料或尼古丁的比例。该气溶胶是由第三代电池供电的电子烟的装置, 具有0.5 Ω电阻。共测试了七个电子烟电压, 其地形剖面为70毫升的粉扑体积、3秒的粉扑持续时间和1分钟的间隔。正如预期的那样, 随着浓度计算的质量 (毫克) 的增加, 电子烟电压会导致在所使用的曝光室中的气溶胶浓度更高。然而, 在研究的电压范围内, TPM 浓度的变化遵循某种 sigmoidal 模式。电压和 TPM 浓度之间的关系最初是线性的从1.8 到 3.2 v, 并显示一个指数跃迁与随后高原在3.2 到4.8 之间。

图 5显示了在全身接触腔内电子烟气溶胶的物理特性的结果。利用扫描运动粒子粒测量了不同实验条件下的颗粒数浓度和粒径分布。广泛的质量和数量的浓度, 以及颗粒大小分布, 主要由精细和超细颗粒组成, 可以通过使用各种预定义或用户定义的自动膨化剖面, 可以调整或修改通过软件 (图 6), 以及电子烟设备设计选项 (i., 雾化器线圈电阻或电池电压)。这些结果突出了暴露系统的通用性, 用于在实验环境中模拟各种可能的人类电子烟的地形剖面。

举例来说, 一个实验性的电子烟暴露环境是基于当前有关电子消费的个人喜好的信息而创建的, 随后的特点是 (表 2)。在这里, 电子烟装置配备了0.5 Ω的线圈雾化器, 并在 3.2 v 操作。所用的地形剖面包括55毫升的粉扑体积, 3 s 的粉扑持续时间和30秒的间隔, 而电子液体测试包括载体溶剂 (i. e., PG 和 VG 在50/50 的比例), 单独和36毫克/毫升尼古丁和肉桂味的结合(表 2)。在2小时的曝光期内, 这个曝光剖面画出更多的喷口, 并允许比以前使用的70毫升, 1 粉扑每分钟 (13200 毫升 vs 8400 毫升) 更高的总体积取样。因此, 每个粉扑的平均微粒质量在这个地形剖面下获得同样的电压和类似的功率 (表 1, 2)。结果似乎表明, 在电子液体中存在尼古丁和肉桂味可能对每粉扑的微粒质量产生负面影响。然而, 两种实验条件的差异并没有达到统计学意义上的水平。

表 3图 7显示了由后地形剖面产生的电子烟气溶胶的化学分析结果 (55 毫升的粉扑体积、3的粉扑持续时间和30秒的间隔)。在 3.2 V 以下的电子液体中, 共抽取82喷出的电子气雾剂, 由50/50 的 PG 和 VG、36毫克/毫升尼古丁和肉桂香精组成, 并在随后用于电子烟的化学表征的硅基过滤器上取样。气相色谱/MS 技术的排放。这个样品是在冷凝器之后收集的。分析表明, 除了尼古丁和肉桂醛的预期, 其他化合物, 如丙烯醛, 邻苯二酚和苯并噻唑在电子烟雾气溶胶中确定。这些化学物质是已知的呼吸刺激物, 一旦电子液体加热和雾化, 就会显示气溶胶成分的复杂性。

除电子气雾剂物理化学特性外, 所使用的电子烟发生器和曝光系统也适用于动物暴露。如图 8所示, 血清可替宁可的浓度是尼古丁的主要代谢物, 可用于监测或确认小鼠含尼古丁电子液体对电子烟气溶胶的接触。在本例中, 暴露于电子烟雾气溶胶中的小鼠的血清可替宁可浓度明显增高。

Figure 1
图1。电子烟发生器解构视图.图像显示了构成电子烟发生器的各种元件 (电子烟单元、油箱底座、雾化器、水箱、罐套、油管适配器)。

Figure 2
图2。电子烟发生器雾化器.将电子烟液放入雾化器的图像。

Figure 3
图3。电子总视图.图像显示组装的电子烟发生器, 包括冷凝器在内的扩展。

Figure 4
图4。电子烟发生器操作软件.图像显示了软件 vaping 配置文件的选择。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 5
图5。在5升室中由第三代电子烟发生器产生的电子烟气溶胶的代表性物理特性显示 (a) 电子烟装置功率 (6-40 W) 对可产生的暴露条件的影响, (B) 电子烟气溶胶是由细 & 超细颗粒组成.用扫描移动粒子粒测量粒子数浓度和粒度分布。曝光参数: 雾化器的电阻0.5 Ω和电压变化从1.8 到 4.8 V;vaping 在3的粉扑持续时间的地形剖面, 70 毫升粉扑容量每六十年代或 3 s 粉扑期间, 55 毫升粉扑容量每三十年代;使用由 PG 和 VG 组成的电子液体的比例为50/50。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图6。可以通过软件创建、调整或修改自动膨化配置文件.图像显示了配置文件创建向导的一个步骤, 用于输入关键的 vaping 地形因子, 包括粉扑体积、粉扑持续时间、粉扑间隔和粉扑剖面。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图7。电子烟气溶胶的 GC/MS 结果谱。表 3所述, 电子烟气溶胶是使用电子烟雾装置生产的, 其0.5 Ω线圈喷嘴设置在 3.2 V vaping 下, 在55毫升粉扑体积、3的粉扑持续时间和三十年代间隔的地形剖面上, 由 PG 和 VG 的50/50 比组成的电子液体。, 36 毫克/毫升尼古丁和肉桂味。将冷凝器上的82喷气气溶胶样品收集到一个硅胶基过滤器上, 随后用气相色谱-质谱 (GC/MS) 技术进行化学分析。(A) 整个频谱;(B) 放大.请点击这里查看这个数字的大版本

Figure 8
图8。动物实验用电子烟暴露系统示意图.全身 e 烟气溶胶吸入系统 (A) 适用于动物暴露, 可替宁可水平在 e 烟暴露的男性 BALB/C 小鼠 (B), 这是可比的主流香烟烟雾暴露水平。空气集团可替宁可水平 0.3-1.2 毫升。N = 每组 6, *p < 0.05。老鼠可替宁可 ELISA。曝光参数: 喷嘴的电阻和电池电压设置在1.5 Ω和 4.2 V, 分别;vaping 的地形剖面3的粉扑持续时间, 和55毫升粉扑量每年三十年代;使用含有36毫克/毫升尼古丁、肉桂味和 50/50 PG/VG 比的电子液体。老鼠被暴露在 TPM 浓度为 0.12, 0.09 毫克/粉扑的电子烟雾气溶胶2小时/天28天, 而控制被暴露在过滤空气。请单击此处查看此图的较大版本.

电子电压 (V) 电子电源 (W) 质量每粉扑 (毫克) 室内温度 (oC)
相对湿度 (%)
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

表1。用0.5 Ω线圈雾化器在5升曝光室中测试和暴露条件的电子烟装置参数.2小时曝光的地形剖面:70 毫升的粉扑体积, 3 的粉扑持续时间和1分钟的间隔, 只使用载体溶剂电子液体基地, i., 50/50 比 PG 和 VG。所有电压测试三 (n = 3)。数据被表示为平均标准偏差 (SD)。

电子电压 (V) 电子电源 (W) 电子液体尼古丁 (毫克/毫升) 电子液体香精 质量每粉扑 (毫克) 室内温度 (oC)
相对湿度 (%)
3。2 16.6 @ 0。2 0 没有 0.273 @ 0.184 47.4 @ 3。9 23.6 @ 0。2
3。2 15.9 @ 1。3 36 肉桂 0.102 @ 0.078 59.6 @ 3。1 22.7 @ 0。2

表2。用0.5 Ω线圈雾化器在5升曝光室中测试和暴露条件的电子烟装置参数.2小时曝光的地形剖面:55 毫升粉扑容量, 3 s 粉扑持续时间和三十年代间隔, 使用 1) 仅载体溶剂电子液体基地, i., 50/50 比 PG 并且 VG 和 2) e 液体基地 + 尼古丁 (36 毫克/毫升) 和肉桂调味料。两种电子液体进行了三项试验 (n = 3)。数据以平均值表示。

电子烟雾气溶胶中化合物的列表
2-丙烯醛 (丙烯醛)
7-Pentatriacontene
10-Octadecenal
苯并噻唑
儿茶酚
肉桂 醛
乙氧乙酸
尼古丁
香 兰 素

表3。在电子烟雾气溶胶中发现的化合物的非详尽清单.电子烟气溶胶是使用电子烟雾装置产生的, 0.5 Ω线圈雾化器设置在 3.2 V vaping 的地形剖面55毫升的粉扑量, 3 的粉扑持续时间和三十年代的时间间隔与电子液体组成的50/50 比的 PG 和 VG, 36 毫克/毫升尼古丁和肉桂味。将冷凝器上的82喷气气溶胶样品收集到一个硅胶基过滤器上, 随后用气相色谱-质谱 (GC/MS) 技术进行化学分析。

Discussion

一个主要未回答的问题是长期接触电子烟雾气溶胶是否会导致肺部毒性。此外, 电子 cigs 在人类健康方面的一般安全问题仍然是一个争议事项。在 2016年8月, 美国 FDA 扩大了对所有烟草产品的监管权, 包括电子 cigs。然而, 电子烟的研究是具有挑战性和复杂的, 主要原因是 1) 缺乏标准化评估;2) 各种电子烟设备 (~ 2800 种型号从466个知名品牌)24;3) 7700 多种独特的电子液体风味24;4) 各种可能的保湿比率组合。鉴于这一领域的复杂性, 为了面对挑战并产生可靠的科学证据, 必须对实验条件和可重现的过程进行仔细考虑。在本研究中, 将重点放在对电子烟气溶胶生成技术的描述上, 使调查人员能够获得与实际和全面的电子烟雾气溶胶接触效应 continuums 有关的独特数据集。这些措施可以及时地涉及与电子烟相关的安全或毒性问题, 以便制定关于电子烟的设计特点的条例, 这可能会对公共卫生政策产生直接影响。

在本篇文章中, 有意义的曝光环境是使用计算机控制系统生成的, 它能够集成最新一代的电子烟设备, 并允许预定义的或用户定义的自动膨化型材, 并设置操作条件 (例如, 恒功率源, 电阻、电压或温度的标准值)。这些自动膨化型材包括标准条件:55 毫升粉扑量, 3 的粉扑持续时间, 三十年代粉扑间隔, 和方粉扑剖面, 从 "电子烟气溶胶产生和收集的例行分析机-定义和标准条件 "由 Coresta 推荐的方法 (CRM) N°8125 (表 2) 提供。由于所使用的系统可以产生各种自动膨化型材, 它也符合 ISO 20768 (蒸气产品-常规分析 vaping 机-定义和标准条件)26膨化制度要求。正如预期的, 电子烟膨化制度标准条件与 ISO 330827的对比, 这定义了吸烟机器的标准条件 (35 毫升粉扑量, 2 的粉扑持续时间, 六十年代粉扑间隔, 和贝尔粉扑剖面)。这些不同的吸烟模式和电子烟 vaping 模式的用户之间的差异已建立28。在本研究中, 所提供的例子和数据表明, 该系统产生的气溶胶和具有可调电压的第三代电子烟装置产生的高 TPM 浓度, 分别达到0.27 和0.82 毫克每55和70毫升粉扑。这些浓度的电子烟气溶胶是在曝光室之后收集的 (表 1-2,图 5)。结果还表明, 每粉扑产生的微粒质量的差异大于160倍, 电压从1.8 到 4.8 V 不等 (表 1)。这个电压范围是在美国市场上的电子烟装置的运行设置的特点, 它允许电压的应用范围从2.9 到 5.2 V29。结果也与以前发布的数据18(21 ) 一致, 即在电子烟发生器的出口处收集的高级别 TPM 被报告为类似的地形剖面 (1.4 到5.8 毫克/粉扑)。该协议中的关键步骤包括在每个曝光期之前向雾化器添加几滴电子液体, 以确保 a) 不会产生干烧;b) 在整个暴露期间, 罐内有电子液体;通过对实时浓度测量装置的定期读数, 验证电子烟气溶胶是否按预期生成。这是很好的, 电子烟用户试图避免干喷, 这发生在干燥烧伤条件。这种 vaping 条件与高浓度醛的形成有关, 包括甲醛, 已知的致癌物质和呼吸道毒物13,30。因此, 确保在曝光期间避免这种情况是至关重要的。最后, 在尼古丁暴露方面, 小鼠每天接触36毫克/毫升尼古丁含量的电子液体, 每日2小时28天 (0.12 毫克/粉扑), 其血清可替宁可浓度为 91 ng/毫升 (图 8);类似吸烟者的水平 (> 100 ng/毫升)31,32,33, 这是甚至低于正常的电子香烟用户 (中位唾液可替宁可的 252 ng/毫升)34。据报道, 在 vaping 的地形研究中, 235 是电子烟用户35,36每天喷出的最大数量。这是非常类似于我们的曝光剖面产生1粉扑每30秒2小时每天 (总共240喷)。因此, 这种 vaping 地形剖面模型的用户每日消费和行为。

在过去的十年中, 电子烟设备由第一代、类似香烟、单用途、低动力设备发展而成, 第二代可拆卸和再灌装罐式设备, 现在又可定制的第三代坦克式设备。特点24为 1) 雾化器的线圈电阻: 负责加热电子液体的元件和 2) 电源控制器, 其中 a) 可以在不同电压下运行, b) 影响加热元件的温度, c) 决定是否溶液的沸腾温度达到24,37。在电子烟使用过程中, 电子液体通常以200摄氏度或更大38的温度加热, 其成分与生物基质相互作用的气溶胶形式。因此, 电子烟气溶胶的特性是必不可少的。电子液体溶剂在挥发性方面存在差异, 因此, 主要由 PG (70%) 组成的溶液, 其粘性较低, 在低温下蒸发37, 产生的气溶胶相对较小, 增加了用户的 "喉咙命中" 体验。20. 另一方面, 基于 VG 的电子液体在更高的温度下 aerosolize37 , 并产生相对较大的微粒的气溶胶, 从用户的经验来看, 增加了味道和蒸气产生的量5, 17,39。因此, 以前已经确定, 电子液体的 PG/VG 比率影响电子烟气溶胶19,20中的粒子的大小分布。如图 5所示, 使用由 50/50 PG/VG 比值组成的电子液体, 得到了直径为 100 nm 的电子烟气溶胶。这些结果与 Baassiri 报告的范围相同. 20. 这表明除了电子液体基础外, 暴露参数, 包括电子烟的操作设置 (电阻、电压和功率) 和膨化剖面, 可能会影响产生的气溶胶的物理特性。此外, 添加到电子液体基中的尼古丁浓度和调味剂也可能影响电子烟气溶胶的物理化学性质。以前的研究表明, 低粘性的电子液体产生的气溶胶由较细的微粒组成, 造成的蒸汽密度较低, 使 TPM 浓度降低17。使用相同的 PG/VG 比率对两个电子液体测试, 含有36毫克/毫升的尼古丁和肉桂调味剂的电子液体, 这意味着它比电子液体基础更稀释 (pg/vg + 尼古丁 + 肉桂味与 pg/vg 单独), 似乎少粘性比电子液体仅由 PG 和 VG 组成。两种电子液体之间的粘度明显不同, 可以解释在相同的 e-烟 vaping 设置下获得的质量的差异 (表 2)。但是, 较低的 TPM 可能与较少的有害气溶胶相关, 因为气溶胶的粒度分布和化学特性也必须考虑。事实上, VG 的热降解和电子液体组分的化学相互作用产生有害醛的排放, 其中包括甲醛和乙醛, 已知对人类健康构成严重威胁15,17。 ,40。如表 3所述, 在这里产生的电子烟气溶胶的化学分析显示, 它还含有丙烯醛、monochlorophenol、邻苯二酚和苯并噻唑。所有都是已知的呼吸刺激物, 而邻苯二酚被另外归类为可能致癌的人 (组 2B) 根据国际癌症研究机构41,42,43.这增加了与电子液体中加入的调味剂的化学作用有关的效果。例如, 肉桂醛和双乙酰, 两种风味和萃取剂制造商协会高优先的香料化学品的呼吸危险, 当工人吸入, 已被证明损害肺功能和造成不可逆转的肺损伤 (闭塞的毛细支气管炎, 即 "爆米花肺")44。肉桂醛在体外454647被证明具有高度的细胞毒性, 在电子液体48中非常受欢迎。在目前的研究中, 肉桂味电子液体中的电子烟雾气溶胶中发现了肉桂醛的存在 (表 3图 7)。总的来说, 这表明需要分析电子烟雾气溶胶的物理和化学特性。

如上所述, 这里描述的曝光技术可以是非常多才多艺的。它可以允许对膨化系统 (通过软件) 的修改, 电子烟装置的操作特性, 甚至是曝光室的类型 (鼻子唯一和全身) (通过硬件)。这为研究者提供了适应或调整实验条件以满足每个研究项目需要的灵活性。此技术的故障排除包括确保电子烟冷凝器、管、泵和腔室之间的连接得到充分的保护, 并且所有腔室都已正确密封 (有关详细信息, 请参阅用户手册)。正如在本研究中所指出的那样, 各种因素会影响电子烟雾气溶胶的产生和组成22。这些因素与电子液体配方的比值和成分有关, 这影响了气溶胶的化学成分, 以及所选的电子烟装置的特性和操作设置, 影响了加热条件。用于 aerosolize 电子液体, 因而构成并且气溶胶的物理组分。电子液体是由肝酱食品添加剂组成的, 但是, 它们在加热和 aerosolization 后的安全性尚未确定。最重要的是, 电子烟用户吸入这些气溶胶和控制膨化剖面, 以及选择的电子液体和操作设置 (电阻和电压) 的电子烟雾装置。这些都是可以显著影响电子烟雾气溶胶排放的关键因素, 因此应在实验研究中得到仔细的控制和报道。

作为大多数实验方法, 目前的电子烟暴露技术具有优势和局限性。虽然多才多艺, 非常适合毒理学研究, 它也知道, 老鼠是鼻呼吸和全身暴露可能也允许皮肤和口服吸收除了吸入暴露路线。在其他49,50, 广泛描述了使用全身和鼻只吸入暴露的利弊。虽然鼻只接触更密切模仿的灵感/失效模式, 控制的运输和沉积微粒在呼吸道, 这种接触方式对动物的压力更大, 是不足够的长期吸入研究使用大量的动物49。此外, 在相同的暴露条件下, 将吸入到同一毒物中的啮齿类动物的全身和鼻只接触进行比较的研究 (2纳米粒子, 香烟烟雾) 没有发现它们之间的统计差异肺颗粒沉积和肺反应的两种暴露方式50,51。由于慢性接触对电子烟气溶胶的影响很大程度上是无记录和未调查的, 因此本手稿中描述的电子烟暴露系统对于弥合这一知识缺口是有用的。此外, 本研究中使用的第三代机器 vaping 设备是以水平配置为导向的。该装置的定位有可能对气溶胶的产生产生影响;然而, 据我们所知, 对于第三代电子烟设备, 方向变量以前没有测试过。水平方向是电子烟初级用户的首选位置。这有助于促进更好的吸芯, 并最大限度地减少电子液体泄漏的风险。因此, 水平方向是 vaping 用户的行为的代表, 并已被其他研究小组使用21。同样重要的是, 在电子烟设备上显示的电源可能与设备2252的实际电源稍有不同, 因此, 最好测量电源值。外部或使用有线电源提供稳定的能源供应。

与长期接触电子烟雾气溶胶有关的毒性生物标志物存在着大量的研究和知识缺口。这种曝光系统代表了这一领域向前迈进的一步, 允许调查人员确定长期吸入性接触动物对雾化电子烟液的影响。其他现有的电子烟暴露方法也有能力调查的影响, 膨化制度和操作设置的电子烟的设备对毒理学端点19,20,22,53.这些暴露系统将有助于为今后关于新的替代烟草产品的规定提供科学证据。最终, 良好的进行和适当的毒理学研究将有助于更好地通知政策制定者, 医疗保健提供者和900万美国人, 是电子用户4。最重要的是, 不能重现真实生活 vaping 场景的曝光系统应该避免。电子液体通常加热在200摄氏度或更高的温度38在电子烟的设备, 因此, 这种情况下, 电子液体只是雾化, 或加热到37°c, 然后雾化8, 不应被视为代表的电子烟用户消费。目前, 电子烟的消费者可能会使用第三代电子烟装置的设计特点来达到潜在有害的电子烟雾气溶胶成分水平, 通过雾化线圈的变化, 可以调整独特的加热条件。电阻和电池电压。因此, 需要进行更多的实验研究, 以确定与慢性吸入性接触对电子烟雾气溶胶的健康影响。这首先建立可重复和标准化的电子烟暴露系统25,26。因此, 拥有一个通用的电子烟暴露系统, 允许广泛的暴露场景, 包括自动代表 vaping 地形剖面, 是进行实验研究的资产。

Disclosures

JM 和 AR 受雇于 SCIREQ 科学呼吸设备公司, 这个商业实体涉及与本文内容相关的主题。SCIREQ 有限公司是一家 emka 技术公司。

Acknowledgments

该项目得到了路易斯安那州州长生物技术倡议 GBI-BOR#013 以及路易斯安那州立大学兽医学院开办基金 (a) 资助的赠款 (AP)。

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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