Geração de aerossol de cigarro eletrônico por um dispositivo de máquina-Vaping de terceira geração: aplicativo para estudos toxicológicos

Chemistry
 

Summary

Os usuários de cigarro eletrônico (e-cig) estão a aumentar em todo o mundo. Pouco, no entanto, é conhecido sobre os efeitos de saúde induzidos por aerossóis inalados e-cig. Este artigo descreve uma técnica de geração de aerossol e-cig apropriada para exposições de animais e estudos toxicológicos posteriores. Esses protocolos são necessários para estabelecer sistemas de exposição experimentalmente reproduzíveis e padronizada e-cig.

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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

Cigarro eletrônico (e-cig) dispositivos usam o calor para produzir um aerossol inalável de um líquido (e-líquido), composto principalmente de umectantes, nicotina e produtos químicos aromatizantes. O aerossol produzido inclui partículas finas e ultrafinas e potencialmente nicotina e aldeídos, que pode ser prejudicial para a saúde humana. Usuários do E-cig inalam esses aerossóis e, com a terceira geração de dispositivos de e-cig, controlam recursos de design (resistência e tensão) Além a escolha do e-líquidos e o perfil de sopro. Estes são fatores-chave que podem significativamente impactar a toxicidade dos aerossóis inalados. Pesquisa do E-cig, no entanto, é desafiadora e complexa, principalmente devido à ausência de avaliações padronizadas e às inúmeras variedades de modelos de e-cig e marcas, bem como sabores de e-líquido e solventes que estão disponíveis no mercado. Estas considerações destacam a urgente necessidade de harmonizar protocolos de investigação do e-cig, começando com as técnicas de geração e caracterização de aerossol e-cig. O atual estudo centra-se sobre este desafio descrevendo uma técnica de geração de aerossol detalhadas passo a passo e-cig com parâmetros experimentais específicos que são pensados para ser realista e representativa de cenários de exposição da vida real. A metodologia é dividida em quatro seções: preparação, exposição, análise de pós-exposição, além de limpeza e manutenção do dispositivo. Resultados representativos de usar dois tipos de e-líquido e diversas tensões são apresentados em termos de concentração em massa, distribuição de tamanho de partícula, composição química e cotinine níveis em camundongos. Estes dados demonstram a versatilidade do sistema de exposição e-cig usado, além de seu valor para os estudos toxicológicos, pois permite uma ampla gama de cenários de exposição controlada por computador, incluindo perfis de topografia automatizada vaping representativa.

Introduction

Segurança relacionada ao uso de cigarros eletrônicos (e-CIG) é uma questão de debate ativo na comunidade científica. Por um lado, os fabricantes e comerciantes anunciam os potenciais benefícios do e-CIG como um produto de redução de danos para fumantes, devido à eliminação de muitas substâncias nocivas presentes nos cigarros convencionais, enquanto os tomadores de decisão de política de saúde pública está apreensivo com a ausência de dados sobre a saúde humana a longo prazo as exposições1,2. E-Cigs servir pelo menos duas finalidades distintas, 1) como um veículo de substituição para a entrega de nicotina e 2) como uma cessação de fumar dispositivo3. De acordo com o Centers for Disease Control and Prevention (CDC), em 2014, mais de 9 milhões de americanos adultos usaram e-cigs em uma base regular. De 2013 e 2014, e-cig uso entre estudantes do ensino médio aumentou mais de 300%4. Dado o crescente uso de e-CIG entre os jovens, bem como em adultos,1,2,4e considerando as reivindicações populares, ainda não comprovadas, sobre e-cigs como uma alternativa mais segura de fumar, principais questões científicas precisam ser abordadas para determinar se o uso de e-cig representa riscos potenciais para a saúde humana, particularmente a do sistema respiratório1,2. Embora e-cigs foram primeiro comercializados nos Estados Unidos em 2007, apenas muito estudos limitados têm sido efectuados sobre os efeitos do e-cig aerossol exposições em vitro e na estrutura pulmonar, função e saúde geral5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. portanto, em vitro, in vivo e dados epidemiológicos são essenciais para ajudar a estabelecer políticas públicas e regulamentações relacionadas com o consumo de e-CIG. No entanto, a produção de evidências científicas confiáveis e podem ser reproduzidas neste campo emergente primeiro exige o estabelecimento de regimes de sopro padronizada e-cig e a geração de ambientes de exposição podem ser reproduzidos em configurações de laboratório reflexiva de consumo humano.

Dispositivos de terceira geração e-cig, disponíveis no mercado, são compostos de pelo menos um aquecimento bobina (atomizador) e mais uma bateria de lítio. Controlador de potência do dispositivo e-cig pode operar com voltagens diferentes. Estes dispositivos de e-cig tem também um reservatório, em que o e-cig líquido (e-líquido) é introduzido. O e-líquido, também conhecido como e-suco, é composto principalmente de nicotina, sabores e portador de solventes (umectantes), muitas vezes propilenoglicol (PG), glicerina vegetal (VG) e água. Desde então, de acordo com os E.U. Food and Drug Administration (FDA), e líquidos são compostos de uma mistura de "geralmente considerada como segura" (GRAS) aditivo flavorizantes, substâncias químicas e umectantes, além de nicotina, eles podem ser considerados tão seguros no alimento. No entanto, quando estas formulações líquidas são vaped através do dispositivo de e-cig, eles são aquecidos pelo atomizador, que altera as propriedades físico-químicas do e-líquido e produz um vapor contendo carbonilos, mais especificamente o aldeído ou aerossol compostos de12,13. Estes aldeídos são formados pela degradação térmica e oxidação de glicóis, que também produzem a formação de radicais hidroxila14,15,16,de17. Os aldeídos que estão presentes no aerossol e-cig quando vaped sob condições específicas13, incluem formaldeído, acetaldeído, acetol, acroleína, glicidol e diacetil, todos os quais são conhecidos por terem potentes efeitos negativos na saúde humana, com sendo uma comprovada carcinógeno humano15,16,17de formaldeído. Além disso, e-cig aerosol também é composto por belas (250-950 nm)18,19 e ultrafinas partículas de20 (44-97 nm), que são conhecidas por causar toxicidade pulmonar através da inflamação e estresse oxidativo mecanismos 17. com base na composição do e-líquido, isto é., o percentual de componentes individuais presentes na formulação, bem como a tensão aplicada ao dispositivo de e-cig, que influencia a temperatura usada para vape o e-líquido, o total concentração de partículas em suspensão (TPM) do aerossol irá variar e resultar em diferentes níveis de partículas, bem como as concentrações de aldeídos, que foram mostrados para ser produzido sob vaping específicas condições19,21 . Esses aerossóis são inaladas pelos usuários e-cig, que controlam a tensão de seu dispositivo de e-cig. Seleção da tensão baseia-se em preferências pessoais de taxa de entrega de nicotina, produção de aerossóis e ardente sensação12. Assim, é imperativo para compreender melhor as características destes aerossóis para fornecer provas científicas para regulamentação adequada e-cig e condições de produção e consumo do e-líquido.

No contexto da investigação científica, há várias questões que precisam ser abordadas relacionadas aos 1) a várias configurações de dispositivo de e-cig e opções de operação do que e-cig, os usuários podem escolher; 2) a falta de perfis de topografia vaping humana representativa padronizada para ser usado em configurações experimentais22. Isto ressalta a necessidade urgente de harmonizar protocolos de investigação do e-cig, começando com o e-cig aerossol geração e caracterização técnicas22. O atual estudo centra-se sobre este desafio descrevendo uma técnica de geração de aerossol detalhadas passo a passo e-cig, com parâmetros experimentais específicos considerados realista e representativa de cenários de exposição da vida real. Este estudo também tem como objetivo avaliar a influência da tensão na concentração de TPM do aerossol e-cig, como gerado usando um dispositivo de terceira geração vaping integrado em um sistema de exposição comercial controlado por computador configurado para inalação de corpo inteiro de ratos estudos. A descrição deste protocolo experimental, incluindo a geração e caracterização de aerossóis e-cig, pode contribuir para o estabelecimento do representante padronizada e-cig regimes sopro em um laboratório de criação para subsequentes toxicológicos estudos.

Protocol

Os ratos foram instalados e manipulados de acordo com o guia de NIH para o cuidado e o uso de animais de laboratório. Todos os procedimentos e protocolos envolvendo ratos foram aprovados pelo Comitê de uso e Louisiana estado Universidade institucional Cuidado Animal. A descrição fornecida abaixo é específica para o equipamento utilizado, conforme especificado na tabela de materiais/equipamentos. Toda a oferta de ar foi filtrada HEPA.

1. preparação

  1. Estudo & equipamento
    1. Obter as aprovações necessárias (ex., IACUC) e treinamentos para o estudo.
    2. Instalação do equipamento em uma área adequadamente ventilada e se familiarizar com sua operação.
  2. Medições de gravimetria
    1. Pese um limpo novo filtro de 25 mm. Registro do peso. Coloque-o em uma gaveta.
    2. Coloque a fita, com o filtro, em consonância com uma bomba de amostragem pessoal e um medidor de fluxo adequado para testar para um fluxo de 1 L/min (LPM).
  3. Dispositivo de cigarro eletrônico
    1. Que se lixe o atomizador para a base do tanque (Figura 1).
      Nota: Atomizadores contendo bobinas com resistências em 0,15, 0,5 ou 1,5 Ω estão disponíveis.
    2. Passo fundamental: Adicione algumas gotas (2 a 3) de e-cig liquido para o atomizador para garantir que o algodão está saturado e não criará uma queimadura seca (Figura 2).
    3. Introduza a manga do tanque no tanque. Então, Dane-se o tanque de base com o atomizador na manga tanque (Figura 1).
    4. Dane-se o tanque montado na unidade de e-cig. Certifique-se a abertura do tanque é virada para cima e coloque a tampa no lugar, em cima do tanque (Figura 1).
    5. Coloque a unidade de e-cig na sua placa-base girando o braço mergulhando da válvula solenoide. Quando estiver na posição, girá-lo no lugar para que ele possa alinhar com o botão de gatilho na unidade de e-cig.
    6. Conecte a extremidade da unidade de e-cig para a parte inferior do condensador através de um acessório da válvula de duas vias e um pedaço de tubo (Figura 3).
    7. Certifique-se de que a extremidade superior do condensador está conectada corretamente para o aerossol gerando sistema e aerossol exposição câmara através de adequada tubulação.
    8. Passo fundamental: Verifique se o instrumento de medição de concentração de aerosol é no lugar na saída da câmara de exposição de aerossol.
    9. Passo fundamental: Retire a tampa do tanque e encha o reservatório com 10 mL de líquido de e-cig. Recoloque a tampa do tanque.
      Nota: Este volume é suficiente para um período de exposição 2-h.

2. exposição

  1. Conexão de software
    1. No dia do experimento, ligue o computador. Lembre-se também ligar ON o instrumento de medição de concentração de aerosol manualmente pressionando o botão power.
    2. Inicie o software operacional. Clique na sessão de experimentação. Selecione o estudo adequado. Escolha o modelo para o experimento de e-cig.
    3. Na nova janela de experimento, digite um nome para a sessão experimental. Na janela de propriedades do experimento, digite as iniciais de operador na caixa operador. Clique Okey.
  2. Calibração de canal
    1. Siga as etapas no assistente de calibração para calibrar adequadamente o sistema de geração de aerossol.
      1. Passo 1: Clique em Next na janela do canal calibração após a confirmação de que há uma marca de verificação na caixa instrumento (MicroDust Pro) para medição de concentração de aerossol.
      2. Passo 2: Aplicar a janela de valor, clique em seguinte. Passo 3: Insira a entrada do valor de destino como 0 g/m3. Etapa 4: Lugar do T-em forma de calibração inserir o slot para concluir o processo de calibração e pressione Next para chegar à janela seguinte.
      3. Digite o valor lido sobre o instrumento de medição de concentração de aerosol. Pressione Avançar após digitar esse valor. Examine a janela de resultados de calibração e clique em seguinte.
    2. Etapa final: Em calibração completa janela, clique em concluir. Para o fluxo de teste de sistema, na janela de teste, teste bombas 1 e 2 (consulte o manual do usuário).
    3. Confirmar-"Gostaria de iniciar a gravação contínua de dados?", clique em Sim. Confirmar – "você gostaria de começar o perfil padrão?", clique em Sim.
  3. Exposição de aerossol de cigarro eletrônico
    1. Se fazer um estudo de inalação em vivo , coloque os ratos no chamber(s) a exposição de todo o corpo neste momento.
    2. Vá imediatamente para a janela de perfis e botão direito do mouse sobre o perfil desejado, desloque-se para iniciar a tarefa de iniciar um viés fluxo de ar fresco dentro da exposição chamber(s).
    3. Quando estiver pronto para iniciar a geração de aerossóis e-cig e experimento Exposição, botão direito do mouse sobre o perfil desejado na janela de perfis, desloque-se para iniciar a tarefa e clique com o botão esquerdo para selecionar (Figura 4).
    4. Passo fundamental: gravar a concentração medida pelo instrumento de medição de concentração de aerosol. A concentração deve ser > 0 mg / m3.
      Nota: O princípio de funcionamento do dispositivo é baseado de detecção óptica e é usado neste sistema para fornecer uma avaliação qualitativa em tempo real dos níveis de exposição na câmara.
    5. Certifique-se de que o e-líquido está disponível no tanque durante toda a duração da exposição.
    6. Para parar o experimento depois de atingir a duração de exposição desejado, clique com o botão direito sobre o perfil, desloque-se para parar o seu perfil e clique com o botão esquerdo para selecionar. Certifique-se de que o fluxo de polarização é iniciado imediatamente após a conclusão do perfil da exposição.
    7. Remover os temas (animais), da câmara de exposição e devolvê-los à sua gaiola de habitação e o quarto.

3. análise pós-exposição

  1. No final da sessão experimental, feche o software operacional e ligar desligar o dispositivo de medição de concentração de aerossóis.
  2. Retire a fita com o filtro da bomba e registrar o tempo quando ele foi removido. Colocar o filtro num exsicador e permitir que o filtro secar pelo menos 48 h (de preferência de 96 h). Em seguida, pesar o filtro com as partículas de aerossol acumulada e-cig e registar a sua massa.
  3. Calcule a concentração de partículas totais em suspensão (TPM) em termos de massa por sopro23.
    1. Recorde a massa acumulada no filtro. Calcule o volume total amostrado durante o período de exposição usando o período de amostragem e o fluxo da bomba.
    2. Divida a massa recolhida no filtro pelo volume de ar.
      Nota: concentração de TPM é expressa em peso por unidades de volume. A concentração de TPM, divida pelo número total de sopros gerada pelo e-cig perfil usado.

4. limpeza e manutenção

  1. Deite fora o e-líquido do tanque e-cig e esvaziar o condensador utilizando a seringa anexada. Certifique-se de que a bobina do atomizador que não queimou durante o experimento. Altere a bobina atomizador após cada experimento.
  2. Limpe as bombas após cada experimento. Retire as cabeças de bomba e remova os conectores e válvulas. Limpe qualquer excesso de e-líquido ou acumulado umidade usando um cotonete de algodão ou tecido.
  3. Limpe as câmaras de exposição de corpo inteiro. Siga as instruções do fabricante e remover qualquer condensado e-líquido de todas as superfícies.
    Nota: É aconselhável evitar o uso de álcool, pois pode causar danos irreversíveis.

Representative Results

A tabela 1 mostra as características do ambiente de exposição dentro de uma câmara de corpo inteiro de 5L após a geração do aerossol de e-cig. Estes dados são os resultados de uma sessão de exposição 2-h com apenas o portador solventes e-líquido base, i. e., proporção 50/50 de PG e VG na ausência de condimento ou nicotina. O aerossol foi produzido por um dispositivo de terceira geração com bateria e-cig com uma resistência de 0,5 Ω. Um total de sete e-cig tensões foram testadas com um perfil de topografia de volume de 70 mL puff, puff 3 s duração e intervalos de 1 min. Como esperado, aumentando a tensão e-cig leva a concentrações mais altas de TPM de aerossol em câmara de exposição usado, como relatado com a massa gravimétrica calculada (mg) por sopro. No entanto, as mudanças na concentração de TPM seguem um padrão sigmoidal um pouco sobre a faixa de tensão que estudou. A relação entre a tensão e a concentração de TPM é inicialmente linear de 1.8 para 3.2 V e exibe um salto exponencial com um platô subsequente entre 3,2 a 4,8 V.

A Figura 5 mostra os resultados de uma caracterização física dos e-cig aerossóis no interior da câmara de exposição de corpo inteiro. Concentração de número de partículas e distribuição granulométrica foram medidos sob variadas condições experimentais usando uma varredura dimensionador de partícula de motilidade. Uma ampla gama de concentrações de massa e números, bem como as distribuições de tamanho de partícula, na sua maioria compostas de partículas finas e ultrafinas, pode ser alcançada usando vários predefinidos ou definidos pelo usuário automatizadas sopro perfis que podem ser ajustados ou modificado através o software (Figura 6), bem como opções de projeto de dispositivo de e-cig (i. e., atomizador bobina resistência ou bateria tensão). Esses resultados destacam a versatilidade do sistema de exposição usado para simular, em um ambiente experimental, uma ampla gama de perfis de topografia humana possível do e-cig.

Por exemplo, um ambiente de exposição do e-cig experimental foi criado com base em informações atuais sobre preferências pessoais dos consumidores de e-cig e foi posteriormente caracterizada (tabela 2). Aqui, o dispositivo de e-cig foi equipado com um atomizador de bobina de Ω 0,5 e operado em 3.2 V. O perfil de topografia utilizado consistia de um volume de 55 mL puff, puff 3 s duração e intervalos de 30-s, enquanto o e-líquido testado incluído os solventes de transporte (i. e., PG e VG na proporção de 50/50), em paz e em combinação com sabor de nicotina e canela de 36 mg/mL (Tabela 2). Durante um período de exposição 2-h, este perfil de exposição atrai um número maior de folhados e permite um volume total superior a amostra, em comparação com o anteriormente independentes 70 mL, 1 puff por perfil de min (13.200 mL contra 8.400 mL, respectivamente). Consequentemente, uma menor massa de partículas de média por sopro é obtida sob este perfil de topografia para uma mesma tensão e potência similar (tabelas 1, 2). Os resultados parecem indicar que a presença de nicotina e sabor canela no e-líquido pode ter um efeito negativo sobre a massa de partículas por sopro. No entanto, a diferença entre as duas condições experimentais não chegou ao nível de significância estatística.

Os resultados de uma análise química do e-cig aerossol gerado com o perfil de topografia último (sopro 55 mL volume, duração 3 s sopro e intervalos de 30-s) são mostrados na tabela 3 e Figura 7. Um total de 82 sopros de e-cig aerossol gerado abaixo dos 3.2 V com um e-líquido composto de proporção 50/50 de PG e VG, nicotina 36 mg/mL, e sabor canela foram amostrados para filtros baseados em sílica que foram posteriormente utilizados para a caracterização química do e-cig emissão por técnicas de GC/MS. Esta amostra foi coletada logo após o condensador. A análise revelou que, além de nicotina e cinamaldeído que eram esperados, outros compostos como acroleína, catecol e benzothiazole foram identificados em aerossol do e-cig. Estes produtos químicos são conhecidos irritantes respiratórios e mostram a complexidade da composição aerossol, uma vez que o e-líquido é aquecido e aerosolized.

Além do e-cig caracterização físico-química de aerossol, o sistema de gerador e exposição do e-cig empregado também é apropriado para exposições de animais. Conforme ilustrado na Figura 8, a concentração de soro cotinine, um metabolito principal da nicotina, pode ser usado para monitorar ou confirmar para e-cig aerossol da nicotina, contendo riscos e-líquidos em camundongos. No presente exemplo, os ratos expostos ao e-cig aerossol exibido um aumento significativo na sua concentração de cotinine de soro.

Figure 1
Figura 1. Gerador de E-cig desconstruído vista. Imagem mostra os vários elementos que compõem o gerador de e-cig (unidade de e-cig, base de tanque, atomizador, tanque, tanque luva, adaptador de tubo).

Figure 2
Figura 2. Atomizador de gerador de E-cig. Imagem de onde colocar o líquido do e-cig em atomizador.

Figure 3
Figura 3. Visão geral de E-cig. Imagem mostra o gerador de e-cig montado com extensão, incluindo o condensador.

Figure 4
Figura 4. Gerador de E-cig software operacional. Imagem mostra a seleção de perfil vaping no software. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5. Caracterização física representativa do e-cig aerossóis produzidos por um gerador de terceira geração e-cig em uma câmara de 5 L mostra que (A) o impacto do poder do dispositivo de e-cig (6-40 W) sobre as condições de exposição que podem ser gerados e aerossóis (B) que e-cig composto de partículas ultrafinas & bem. Número distribuição concentração e tamanho de partículas medido usando uma varredura dimensionador de partícula de mobilidade. Parâmetros de exposição: resistência 0.5 Ω do atomizador e tensão variando de 1,8 a 4.8 V; vaping sob um perfil de topografia de qualquer duração do sopro s 3, volume de sopro de 70 mL cada 60 s ou 3 s sopro duração, 55 mL soprar o volume de cada 30 s; usar um e-líquido composto PG e VG na proporção de 50/50. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6. Automatizado de perfis de sopro pode ser criado, ajustado ou modificado através do software. Imagens mostra uma etapa do assistente de criação do perfil é usado para introduzir factores de topografia vaping chave, incluindo volume de sopro, sopro duração, intervalo de sopro e sopro perfil. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7. Espectro de GC/MS resulta para o aerossol e-cig. Conforme descrito na tabela 3, e-cig aerossol foi produzido usando o dispositivo de e-cig com um atomizador de bobina de 0,5 Ω definido em 3.2 V vaping sob um perfil de topografia de volume de sopro de 55 mL, 3 s sopro duração e intervalos de 30 s com um e-líquido composto de proporção 50/50 de PG e VG , sabor de nicotina e canela de 36 mg/mL. Uma amostra de 82 sopros de aerossol e-cig foi coletada logo após o condensador para um filtro baseado em sílica, que foi posteriormente usado para análise química por cromatografia gasosa - técnicas de espectrometria de massa (GC/MS). (A) todo o espectro; (B) Zoom in. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8. Esquemático do sistema de exposição e-cig para estudos animais. O sistema de inalação de aerossol de corpo inteiro e-cig (A) é apropriado para exposições de animais, com cotinine níveis no e-cig expostos camundongos BALB/C masculinos (B) que são comparáveis aos níveis de exposições de fumaça de cigarro convencional. Ar grupo cotinine níveis 0,3-1,2 ng/mL. N = 6 por grupo, *p < 0,05. Mouse/rato cotinine ELISA. Parâmetros de exposição: conjunto de resistência e bateria tensão no Ω 1.5 do atomizador e 4.2 V, respectivamente; vaping sob um perfil de topografia de duração de sopro 3 s e um 55 mL puff volume cada 30 s; usar um e-líquido composto de 36 mg/mL de nicotina, sabor canela e proporção de 50/50 PG/VG. Os ratos foram expostos a uma concentração de TPM de 0,12 ± 0,09 mg/nuvem de aerossol e-cig para 2 h/dia durante 28 dias, enquanto os controles foram expostos ao ar filtrado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

E-cig tensão (V) E-cig potência (W) Massa por sopro (mg) Câmara Temperatura da câmara (oC)
Umidade 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

Tabela 1. Parâmetros de dispositivo de E-cig testados e das condições de exposição em uma câmara de exposição de 5 L com um atomizador de bobina de 0,5 Ω. Perfil de topografia para uma exposição de 2 h: 70 mL puff volume, 3 duração do sopro s e intervalos de 1 min, usando apenas transportadora solventes e-líquido base, i. e., proporção 50/50 PG e VG. Todas as tensões foram testadas em triplicado (n = 3). Dados são expressos como média ± desvio-padrão (SD).

E-cig tensão (V) E-cig potência (W) E-líquido nicotina (mg/mL) E-líquido sabor Massa por sopro (mg) Câmara Temperatura da câmara (oC)
Umidade relativa (%)
3.2 16.6 ± 0.2 0 Nenhum 0.273 ± 0.184 47,4 ± 3,9 23,6 ± 0.2
3.2 15,9 ± 1.3 36 Canela ± 0.102 0.078 59.6 ± 3,1 22,7 ± 0.2

Tabela 2. Parâmetros de dispositivo de E-cig testados e das condições de exposição em uma câmara de exposição de 5 L com um atomizador de bobina de 0,5 Ω. Perfil de topografia para uma exposição de 2h: 30 intervalos de s, usando 1) somente transportadora solventes e-líquido base, ou seja, 3 s sopro duração e volume de sopro de 55 mL., proporção 50/50 PG VG e 2) e-líquido base + nicotina (36 mg/mL) e aroma de canela. Os dois e-líquidos foram testados em triplicado (n = 3). Os dados são expressos como média ± SD

Lista de compostos em aerossol e-cig
2-compostos (acroleína)
7-Pentatriacontene
10-Octadecenal
Benzothiazole
Catecol
Cinamaldeído
Etoxi em ácido acético
Nicotina
Vanilina

Tabela 3. Lista não exaustiva de compostos encontrados em aerossol do e-cig. E-cig aerossol foi produzido usando o dispositivo de e-cig com um atomizador de bobina de 0,5 Ω definido em 3.2 V vaping sob um perfil de topografia de volume de sopro de 55 mL, 3 s sopro duração e intervalos de 30 s, com um e-líquido composto de proporção 50/50 de PG e VG , sabor de nicotina e canela de 36 mg/mL. Uma amostra de 82 sopros de aerossol e-cig foi coletada logo após o condensador para um filtro baseado em sílica, que foi posteriormente usado para análise química por cromatografia gasosa - técnicas de espectrometria de massa (GC/MS).

Discussion

Uma grande pergunta sem resposta é se a exposição prolongada a e-cig aerossol resulta em toxicidade pulmonar. Além disso, a segurança geral do e-CIG em matéria de saúde humana ainda é uma questão de controvérsia. Em agosto de 2016, o FDA dos EUA expandiu sua autoridade regulamentar em todos os produtos de tabaco, incluindo e-cigs. Pesquisa de E-CIG, no entanto, é desafiadora e complexa, devido principalmente a 1) a ausência de avaliações padronizadas; 2) a grande variedade de e-cig dispositivos (~ 2.800 diferentes modelos de 466 identificadas marcas)24; 3) mais de 7.700 sabores originais do e-líquido24; 4) as várias combinações possíveis de rácios umectante. Dada a complexidade do campo, é essencial, a fim de enfrentar o desafio e gerar som provas científicas, esse cuidado considerações para as condições experimentais e processos reproduzíveis são empregados. No presente estudo, o foco foi colocado na descrição de uma técnica de geração de aerossol do e-cig que pode permitir que os investigadores obter exclusivos conjuntos de dados relacionados a continuidades de exposição relacionados com efeito realista e abrangente e-cig aerossol. Estes podem ser de relevância oportuna para a segurança de e-cig-relacionados de endereço ou perguntas de toxicidade para o estabelecimento de regulamentos sobre características de projeto de e-cig que potencialmente podem ter um impacto directo sobre políticas públicas de saúde.

No presente artigo, ambientes de exposição significativa foram gerados usando um sistema controlado por computador capaz de integrar a última geração de dispositivos de e-cig, bem como permitindo perfis predefinidos ou definidos pelo usuário automatizadas de sopro e conjunto operacional condições (por exemplo., constante de energia fonte, valores padrão de resistência, tensão ou temperatura). Estes perfis de sopro automatizados incluem as condições padrão: volume de sopro de 55 mL, 3 s sopro duração, intervalo de sopro 30 s e Praça soprar o perfil da "rotina analítica máquina de geração de aerossol e-cigarro e cobrança – definições e padrão condições de"fornecidas pelo método recomendado Coresta (CRM) N ° 8125 (tabela 2). Desde que o sistema utilizado pode gerar vários perfis de sopro automatizados, também cumpre ISO 20768 (vapor de produtos – máquina analítica vaping de rotina – definições e condições padrão)26 sopro requisitos do regime. Como esperado, e-cig sopro regime condições padrão contraste com os da ISO 330827, que define as condições padrão para máquinas de cigarro (volume de sopro de 35 mL, 2 s sopro duração, intervalo de sopro 60 s e perfil de sopro de sino). Estas diferenças entre os padrões de fumar de cigarro e e-cig vaping padrões entre os usuários são bem estabelecidos,28. No presente estudo, exemplos e mostrar dados fornecidos que aerossóis gerados a partir deste sistema e um dispositivo de terceira geração e-cig com tensão ajustável produzem altas concentrações de TPM, atingindo até 0,27 e 0,82 mg / folhado de 55 e 70 mL, respectivamente. Aerossóis E-cig nestas concentrações foram coletados logo após a câmara de exposição (tabela 1-2, Figura 5). Os resultados mostram também que há mais do que uma 160-fold diferença na massa de partículas por sopro produzido com tensões variando de 1,8 a 4.8 V (tabela 1). Esta gama de tensão é característica das definições de funcionamento dos dispositivos de e-cig no mercado dos EUA, que permitem a aplicação de tensão que variam de 2,9 a 5,2 V.29. Os resultados também são consistentes com dados previamente publicados18,21 onde altos níveis de TPM coletadas na saída do gerador de e-cig foram relatados para perfis semelhantes de topografia (1.4 a 5.8 mg/sopro). Passos críticos dentro do protocolo incluem a adição de algumas gotas de e-líquido para o atomizador antes de cada sessão de exposição para garantir um) que é produzida sem queima seca; b) e-líquido está disponível no tanque durante toda a duração da exposição; e verifique se o aerossol e-cig é gerado conforme o esperado, tendo leituras regulares sobre o dispositivo de medição de concentração em tempo real. Está bem estabelecido que os usuários do e-cig tentam evitar sopros secos, que ocorrem em condições de seca queimar. Esta condição vaping está relacionada com a formação de altos níveis de aldeídos, incluindo o formaldeído, um conhecido agente cancerígeno e tóxicas respiratórias13,30. Portanto, garantir que essa condição é evitada durante as exposições é crucial. Finalmente, em termos de exposição de nicotina, ratos expostos a aerossóis e-cig de um 36 mg/mL contendo nicotina e-líquido para 2h por dia por 28 dias (níveis de 0,12 mg/puff) apresentaram concentrações de cotinine soro de 91 ng/mL (Figura 8); um nível semelhante do cigarro fumantes (> 100 ng/mL)31,32,33, que é ainda menor do que a de regular e-cig usuários (mediana de saliva cotinine de 252 ng/mL)34. Foi relatado em um estudo de topografia vaping que 235 foi o número máximo de sopros por dia tomadas por usuários de e-cig35,36. Isto é muito semelhante ao nosso perfil de exposição produzindo 1 puff cada 30-sec para 2h por dia (total de 240 sopros). Assim, este perfil de topografia vaping modelos de comportamento e consumo diário do sopro de e-cig usuários.

Na última década, dispositivos de e-cig evoluiram a partir de dispositivos de primeira geração, como cigarro, uso único, baixo consumo de energia, dispositivos de estilo de segunda geração tanque removível e recarregável e agora para dispositivos de terceira geração tanque-estilo com personalizável dispõe de24 para resistência de bobina 1) do atomizador: o elemento responsável pelo aquecimento do e-líquido e 2) o controlador de potência, que um) pode operar com várias tensões, b) afeta a temperatura do elemento de aquecimento e c) determina ou não a temperatura de ebulição da solução é alcançada24,,37. Durante a utilização do e-cig, o e-líquido normalmente é aquecido a 200 ° C ou maior38, e é sob a forma de aerossol que seus componentes interagem com matrizes biológicas. Portanto, a caracterização de aerossol e-cig é essencial. Solventes E líquidos diferem em volatilidade tal que soluções compostas principalmente de PG (70%), que são menos viscoso e evaporam em uma baixa temperatura37, produzem aerossóis com partículas relativamente menores que aumentam a experiência do usuário 'garganta hit' 20. por outro lado, e-líquidos à base de VG aerosolize em maiores temperaturas37 e produzem aerossóis com partículas relativamente maiores que, da experiência do usuário, aumenta o sabor e a quantidade de vapor gerado5, 17,39. Assim, anteriormente estabeleceu que a proporção de PG/VG do e-líquido influencia a distribuição de tamanho das partículas presentes no e-cig aerossol19,20. Como mostrado na Figura 5, usar um e-líquido composto por uma relação de 50/50 PG/VG, aerossóis e-cig com diâmetros médio de ~ 100 nm foram obtidos. Estes resultados estão na mesma faixa como aqueles relatados por Ana Barbosa, et al. 20. isto sugere que, além da base de e-líquido, os parâmetros de exposição, incluindo o e-cig operando configurações (resistência, tensão e potência) e o perfil de sopro podem afetar as características físicas dos aerossóis produzidos. Além disso, a concentração de nicotina e os produtos químicos aromatizantes adicionados à base de e-líquido também podem potencialmente influenciar as propriedades físico-químicas de aerossol e-cig. Foi previamente demonstrado que um e-líquido que é menos viscoso produz um aerossol composto por partículas mais finas, resultando em um vapor menos denso, gerando uma baixa concentração de TPM17. Usando a mesma proporção de PG/VG para ambos os e-líquidos testados, o e-líquido contendo 36 mg/mL de nicotina e aromatizantes de canela química, implicando que é mais diluído do que apenas a base de e-líquido (PG/VG + nicotina + sabor canela versus PG/VG sozinho), apareceu menos viscoso do que o e-líquido composto unicamente por PG e VG. A aparente diferença de viscosidade entre os dois e-líquidos pode explicar a disparidade na massa por sopro obtido sob igual e-cig vaping configurações (tabela 2). No entanto, TPM inferior não pode correlacionar com aerossol menos prejudicial, desde que a distribuição de tamanho de partícula e a caracterização química do aerossol também devem ser considerada. Com efeito, a degradação térmica do VG e as interações químicas dos componentes do e-líquido produzem emissões de aldeídos nocivos, incluindo o formaldeído e acetaldeído, conhecido por ser potentes ameaças à saúde humana15,17 ,40. Conforme observado na tabela 3, a análise química do e-cig aerossol produzido aqui revelou que também continha acroleína, monochlorophenol, catecol e benzothiazole. Todos são conhecidos irritantes respiratórios, enquanto catecol é adicionalmente classificado como possivelmente carcinogênico para humanos (Grupo 2B) de acordo com a Agência Internacional de pesquisa em câncer (IARC)41,42,43 . Isso adiciona os efeitos relacionados com a química do agente aromatizante incorporada o e-líquido. Por exemplo, cinamaldeído e diacetil, dois dos sabor e extrair a associação de fabricantes químicos aromatizantes de alta prioridade para risco respiratório, quando inalada pelos trabalhadores, foram mostrados para prejudicar a função pulmonar e causar pulmão irreversível dano ( Bronquiolite obliterante, nomeadamente pulmão' pipoca')44. Cinamaldeído tem demonstrado ser altamente citotóxicos em vitro45,46,47 e é muito popular em líquidos e48. No estudo atual, a presença de cinamaldeído foi identificada no aerossol e-cig de canela aromatizado e-líquido (tabela 3 e Figura 7). Em geral, isso demonstra a necessidade de analisar e-cig aerossóis para tanto, características físicas e químicas.

Como mencionado acima, a técnica de exposição descrita aqui pode ser extremamente versátil. Pode permitir que para as modificações do regime de sopro (através do software), as características de funcionamento do dispositivo e-cig ou mesmo do tipo de câmara de exposição (somente nariz e todo o corpo) (via hardware). Isto fornece o investigador com toda a flexibilidade para adaptar-se ou ajustar as condições experimentais para a necessidade de cada projeto de pesquisa. Esta técnica de resolução de problemas inclui assegurar que as conexões entre o condensador e-cig, tubos, bombas e câmaras estão adequadamente protegidas, e que todas as câmaras são seladas corretamente (para informações mais detalhadas, consulte manual do usuário). Como observou e testada neste estudo, uma variedade de fatores pode influenciar o aerossol produção e composição do e-cig22. Esses fatores estão associados com os rácios e constituintes da formulação do e-líquido, que impacto o componente químico do aerossol, bem como as características do dispositivo selecionado e-cig e configurações de operação, que influenciam as condições de aquecimento usado para aerosolize o e-líquido e, assim, a composição bem como o componente físico do aerossol. E-líquidos são compostos de GRAS aditivos alimentares, no entanto, sua segurança após aquecimento e clorofórmio não foi estabelecido. O mais importante, os usuários do e-cig inalam esses aerossóis e controlam o perfil de sopro, bem como a escolha do e-líquido e as definições de funcionamento (resistência e tensão) de seus dispositivos de e-cig. Estes são fatores-chave que podem significativamente afetar as emissões de aerossóis e-cig e devem, portanto, ser cuidadosamente controlados e relatados na pesquisa experimental.

Como métodos mais experimentais, a técnica de exposição e-cig presente tem vantagens e limitações. Enquanto versátil e adequado para estudos toxicológicos, é também conhecido que os ratos são respiradores de nariz e que as exposições de corpo inteiro também podem permitir de absorção dérmica e oral, além de rota de exposição por inalação. As vantagens e desvantagens do uso de inalação de corpo inteiro e somente nariz exposições têm sido extensivamente em outro lugar descrevem49,50. Enquanto exposições somente nariz mais pròxima imitam os padrões de inspiração/expiração que governam o transporte e a deposição das partículas no tracto respiratório, este modo de exposição é mais estressante para os animais e não é adequado para inalação a longo prazo estudos utilizando o grande número de animais49. Além disso, os estudos que comparam as exposições de corpo inteiro e somente nariz em roedores expostos por inalação para a toxicidade do mesma sob as mesmas condições de exposição (TiO2 nanopartículas, fumaça de cigarro) não encontraram nenhuma diferença estatística entre os dois modos de exposição para a deposição de partículas de pulmão e pulmão respostas50,51. Uma vez que os efeitos induzidos pela exposição crônica para e-cig aerossol são em grande parte em situação irregular e sob-investigado, o sistema de exposição do e-cig descrito neste manuscrito é útil para colmatar esta lacuna de conhecimento. Também, o terceira geração máquina-vaping dispositivo utilizado neste estudo é orientado em uma configuração horizontal. Existe a possibilidade de que a orientação do dispositivo poderia ter um efeito sobre a produção de aerossóis; no entanto, o melhor de nosso conhecimento, para dispositivos de terceira geração e-cig, a variável orientação não foi testada anteriormente. A orientação horizontal é a posição preferida para usuários iniciantes do e-cig. Isto ajuda a promover melhor absorção e minimiza os riscos de vazamento de e-líquido. Assim, a orientação horizontal é representante da vaping comportamentos das populações de usuários do e-cig e tem sido utilizada por outros grupos de pesquisa21. Também é importante observar que o poder exibido no dispositivo de e-cig pode diferir ligeiramente o poder real fornecido com o dispositivo de22,52, e que, portanto, também pode ser aconselhável para medir os valores de fornecimento de energia externamente ou usar uma fonte de alimentação com cabo de rede para um suprimento constante de energia.

Há uma investigação substancial e falta de conhecimentos para biomarcadores de toxicidade associados com a exposição prolongada a aerossóis e-cig. Este sistema de exposição representa um passo em frente neste domínio, permitindo que os investigadores determinar os efeitos de longo prazo exposições de inalação de animais para e-cig aerossol líquido. Outros métodos de exposição existentes e-cig, também tem a capacidade para investigar o impacto do regime de sopro e operando as configurações dos dispositivos de e-cig em parâmetros toxicológicos19,20,22,53 . Estes sistemas de exposição ajudará a fornecer evidência científica para futuros regulamentos sobre novos produtos alternativos do tabaco. Em última análise, estudos toxicológicos bem conduzidos e adequados ajudará a informar melhor os formuladores de políticas, profissionais de saúde e os 9 milhões de americanos que são usuários de e-cig4. Mais importante ainda, sistemas de exposição que não se reproduzem situações da vida real vaping devem ser evitados. E-líquidos são normalmente aquecidos a 200 ° C ou maior temperatura38 em um dispositivo de e-cig, portanto, cenários onde o e-líquido é simplesmente nebulizado, ou aquecido a 37 ° C e em seguida nebulizado8, não devem ser considerados como representativo de usuários do e-cig consumo. Atualmente, os consumidores de e-cig podem atingir potencialmente nocivo e-cig níveis constituintes aerossol usando recursos de projeto de dispositivos de terceira geração e-cig que permitam o ajustamento das condições de aquecimento distintas através de alterações na bobina do atomizador resistência e a tensão da bateria. Portanto, estudos mais experimentais são necessários para determinar as saúde efeitos relacionados à crônica inalação exposições para aerossóis e-cig. Isto começa estabelecendo padronizada e reprodutível e-cig exposição sistemas25,26. Assim, ter um sistema de exposição e-cig versátil que permite uma ampla gama de cenários de exposição, incluindo automatizada de perfis de topografia vaping representativo, é um trunfo para a realização de estudos experimentais.

Disclosures

JM e AR são empregados por SCIREQ científica respiratória equipamento Inc, uma entidade comercial envolvidos em temas relacionados com o conteúdo deste artigo. SCIREQ Inc. é uma empresa de tecnologias de emka.

Acknowledgments

Este projecto foi apoiado por uma concessão (AP), do governador da Louisiana biotecnologia iniciativa GBI-BOR #013, bem como pela Louisiana State University, fundos de start-up da faculdade Faculdade de medicina veterinária (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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