Génération d’aérosols de la Cigarette électronique par un dispositif de Machine-Vaping de troisième génération : Application aux études toxicologiques

Chemistry
 

Summary

Les utilisateurs de cigarette électronique (e-cig) sont multiplient dans le monde entier. Peu, cependant, on connaît les effets sur la santé induits par les aérosols inhalés e-cig. Cet article décrit une technique de génération d’aérosols d’e-cig adaptée aux expositions animales et les études toxicologiques ultérieures. Ces protocoles sont nécessaires pour établir des systèmes d’exposition e-cig expérimentalement reproductibles et standardisée.

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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

Dispositifs de l’électronique-cigarette (e-cig) utilisent la chaleur pour produire d’un aérosol inhalable d’un liquide (e-liquide), composé principalement d’agents mouillants, nicotine et aromatiser les produits chimiques. L’aérosol produit comprend des particules fines et ultrafines et potentiellement la nicotine et les aldéhydes, qui peuvent être nocifs pour la santé humaine. Les utilisateurs de E-cig inhalent ces aérosols et, avec la troisième génération de dispositifs e-cig, contrôlent les caractéristiques de conception (résistance et tension) outre le choix de e-liquides et le profil de bouffées. Voici les principaux facteurs qui peuvent influer considérablement la toxicité des aérosols inhalés. Recherche E-cig, cependant, est difficile et complexe pour la plupart en raison de l’absence d’évaluations standardisées et de nombreuses variétés de e-cig modèles et marques, ainsi que e-liquide saveurs et solvants qui sont disponibles sur le marché. Ces considérations mettent en évidence le besoin urgent d’harmoniser les protocoles de recherche e-cig, à partir de techniques de production et caractérisation d’aérosol des e-cig. La présente étude met l’accent sur ce défi en décrivant une technique de génération d’aérosols détaillées étape par étape e-cig avec des paramètres expérimentaux spécifiques qui sont considérés comme réalistes et représentatifs des scénarios d’exposition de la vie réelle. La méthodologie est divisée en quatre sections : préparation, exposition, analyse après l’exposition, plus de nettoyage et entretien de l’appareil. Les résultats représentatifs d’utiliser deux types de e-liquide et des tensions différentes sont présentés en termes de concentration massique, granulométrie, composition chimique et des niveaux de cotinine chez les souris. Ces résultats démontrent la polyvalence du système e-cig exposition utilisé, en dehors de sa valeur pour les études toxicologiques, car il permet un large éventail de scénarios d’exposition contrôlée par ordinateur, y compris les profils de topographie automatisée vaping représentatif.

Introduction

Sécurité liée à l’usage des cigarettes électroniques (e-cigs) est sujette à débat actif dans la communauté scientifique. D’une part, les fabricants et les marchands annoncent les avantages potentiels de la e-CIG comme un produit de réduction des méfaits pour les fumeurs actuels, en raison de l’élimination de nombreuses substances nocives présentes dans les cigarettes classiques, tandis que des décideurs de santé publique sont inquiets quant à l’absence de données sur les expositions à long terme sur la santé humaine1,2. E-CIGS servir au moins deux fins distinctes, 1) comme un véhicule de remplacement pour la livraison de la nicotine et 2) comme un smoking cessation périphérique3. Selon les Centers for Disease Control and Prevention (CDC), en 2014, plus de 9 millions d’Américains adultes utilisaient e-cigs sur une base régulière. De 2013 à 2014, e-cig utilisation parmi les élèves du secondaire a augmenté de plus de 300 %4. Étant donné l’utilisation croissante des e-cigarettes chez les jeunes aussi bien comme adultes1,2,4et si l'on considère les revendications populaires, mais non prouvées, sur e-cigs comme une alternative plus sûre du tabagisme, des questions scientifiques clés doivent être abordés à déterminer si l’utilisation de e-cig présente des risques potentiels pour la santé humaine, notamment celle du système respiratoire1,2. Bien que les e-cigs ont été tout d’abord commercialisés aux États-Unis en 2007, seulement très études limitées ont été effectuées sur les effets de la e-cig aérosol expositions in vitro et sur la santé globale5,6 , la fonction et la structure du poumon , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. par conséquent, in vitro, in vivo et les données épidémiologiques sont essentielles pour aider à établir des politiques publiques et les règlements relies à la consommation de e-cigs. Cependant, la production de preuves scientifiques fiables et reproductibles dans ce domaine émergent nécessite tout d’abord la mise en place de régimes bouffées normalisée e-cig et la génération d’environnements exposition reproductible en laboratoire qui sont reflet de la consommation humaine.

Appareils de troisième génération e-cig, disponibles sur le marché, sont composés de chauffage au moins une bobine (atomiseur) ainsi que d’une pile au lithium. Contrôleur de puissance de l’appareil e-cig peut fonctionner à des tensions différentes. Ces dispositifs e-cig ont également un réservoir, dans lequel le liquide e-cig (e-liquide) est introduit. Le e-liquide, également connu sous le nom e-jus, se compose principalement des solvants de la nicotine, saveurs et carrier (agents mouillants), souvent de propylène glycol (PG), glycérine végétale (VG) et l’eau. Depuis lors, selon le U.S. Food et pharmaceutiques (FDA), e-liquides sont composées d’un mélange de « généralement considéré comme étant sans danger » (GRAS) additif assaisonnant des substances chimiques et agents mouillants, ainsi que la nicotine, ils peuvent être considérés comme sans danger dans les aliments. Toutefois, lorsque ces préparations liquides sont vaped à travers le dispositif de e-cig, ils sont chauffés par l’atomiseur, qui modifie les propriétés physiques et chimiques du e-liquide et produit un aérosol ou la vapeur contenant des composés carbonylés, plus précisément l’aldéhyde composés de12,13. Ces aldéhydes sont formés par la dégradation thermique et l’oxydation des glycols, qui produisent également la formation de radicaux d’hydroxyle14,15,16,17. Ces aldéhydes qui sont présents dans les aérosols de e-cig lorsque vaped sous des conditions spécifiques13, incluez le formaldéhyde, acétaldéhyde, acetol, acroléine, glycidol et diacétyle, qui sont connus pour avoir de puissants effets négatifs sur la santé humaine, avec formaldéhyde étant un cancérogène pour les humains éprouvés15,16,17. En outre, e-cig aérosol est également composé d’amende (250-950 nm)18,19 et ultrafines particules20 (44-97 nm) qui sont connus pour causer une toxicité pulmonaire par le biais de l’inflammation et du stress oxydatif mécanismes 17. basée sur la composition de l' e-liquide, i.e., le pourcentage de composants individuels présents dans la formulation, ainsi que la tension appliquée au dispositif de e-cig, qui influe sur la température utilisée pour vape le e-liquide, le total concentration de particules (PT) de l’aérosol variera et donner lieu à différents niveaux de particules, ainsi que les concentrations d’aldéhydes, qui auraient dû être divulgués à produire dans le cadre spécifique vaping conditions19,21 . Ces aérosols sont inhalées par les utilisateurs de e-cig, qui contrôlent la tension de leur dispositif de e-cig. Sélection de la tension est basée sur des préférences personnelles du taux d’exécution de la nicotine, production d’aérosols et de sensation brûlante12. Ainsi, il est impératif de mieux comprendre les caractéristiques de ces aérosols afin de fournir des preuves scientifiques pour des règlements adéquats d’administration e-cig et politiques de fabrication et de la consommation de e-liquide.

Dans le cadre de la recherche scientifique, il y a plusieurs questions qui doivent être abordées associés à 1) les différentes configurations de périphérique d’e-cig et possibilités de fonctionnement, les utilisateurs peuvent choisir de quel e-cig ; 2) le manque de profils topographie vaping humaine représentative normalisés à utiliser dans les paramètres expérimentaux22. Cela met en évidence le besoin urgent d’harmoniser les protocoles de recherche e-cig, commençant par e-cig aérosol génération et caractérisation des techniques22. La présente étude met l’accent sur ce défi en décrivant une technique de génération d’aérosols détaillées étape par étape e-cig, avec des paramètres expérimentaux spécifiques considérés comme réalistes et représentatifs des scénarios d’exposition de la vie réelle. Cette étude vise également à évaluer l’influence de la tension sur la concentration de l’aérosol e-cig de module de plateforme sécurisée, tel que généré à l’aide d’un dispositif de troisième génération vaping intégré dans un système commercial exposition commandée par ordinateur configuré pour inhalation en milieu confiné souris études. La description de ce protocole expérimental, y compris la production et la caractérisation des aérosols de e-cig, peut contribuer à la mise en place de représentant normalisée e-cig régimes bouffées dans un laboratoire pour ultérieures toxicologiques études.

Protocol

Souris ont été logés et manipulés en accord avec le Guide de NIH pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire. Toutes les procédures et les protocoles impliquant des souris ont été approuvées par le Comité de l’emploi et de Louisiane State University Institutional Animal Care. La description ci-dessous est spécifique à l’équipement utilisé, tel que spécifié dans le tableau de matériel/équipement. Tous d’air a été filtrée HEPA.

1. préparation

  1. Étude & équipement
    1. Obtenir les approbations nécessaires (p. ex.., IACUC) et des formations pour l’étude.
    2. Mise en place l’appareil dans un endroit convenablement ventilé et se familiariser avec son fonctionnement.
  2. Mesures gravimétriques
    1. Peser un propre nouveau filtre de 25 mm. Noter le poids. Placez le filtre dans une cassette.
    2. Placez la cassette, avec le filtre, en conformité avec une pompe d’échantillonnage personnelle et un débitmètre suffisant pour tester un débit de 1 L/min (l/min).
  3. Dispositif de cigarette électronique
    1. Visser l’atomiseur sur la base du réservoir (Figure 1).
      Remarque : Atomiseurs contenant des bobines avec des résistances à 0,15, 0,5 ou 1,5 Ω sont disponibles.
    2. Étape cruciale: ajoutez quelques gouttes (2 à 3) d’e-cig liquide dans l’atomiseur pour s’assurer que le coton est saturé et ne créera pas une brûlure sèche (Figure 2).
    3. Enfoncer le manchon de réservoir dans le réservoir. Puis, vissez la base avec l’atomiseur du réservoir dans le manchon de réservoir (Figure 1).
    4. Vissez le réservoir monté sur l’appareil e-cig. Assurez-vous que l’ouverture du réservoir est vers le haut et mettre le couvercle en place sur le dessus du réservoir (Figure 1).
    5. Mettre l’appareil e-cig sur sa plaque de base en tournant le bras plongeant de l’électrovanne. Dans cette position, tournez-le en place afin qu’il peut aligner sur le bouton déclencheur de l’appareil e-cig.
    6. Connectez l’extrémité de l’unité e-cig à la partie inférieure du condenseur via une tête de vanne à deux voies et un morceau de tuyau (Figure 3).
    7. Veiller à ce que l’extrémité supérieure du condenseur est correctement raccordée à la génération système aérosol exposition chambre via bon tubes et en aérosol.
    8. Étape cruciale: Vérifiez que l’appareil de mesure de concentration aérosol est en place à la sortie de la chambre d’exposition.
    9. Étape cruciale: Enlevez le couvercle du réservoir et remplir le réservoir avec 10 mL de liquide e-cig. Remplacer le couvercle du réservoir.
      Remarque : Ce volume est suffisant pour une durée de 2 h d’exposition.

2. exposition

  1. Connexion du logiciel
    1. Le jour de l’expérience, allumez l’ordinateur. N’oubliez pas de tourner aussi ON l’instrument de mesure de concentration aérosol par manuellement en appuyant sur le bouton d’alimentation.
    2. Lancer le logiciel d’exploitation. Cliquez sur Session d’expérimentation. Sélectionnez l’étude appropriée. Choisissez le modèle de l’expérience de e-cig.
    3. Dans la nouvelle fenêtre de l’expérience, entrez un nom pour la session expérimentale. Dans la fenêtre de propriétés Experiment, tapez les initiales de l’opérateur dans la zone de l’opérateur. Cliquez sur OK.
  2. Calibrage du canal
    1. Suivez les étapes de l’Assistant d’étalonnage afin de bien calibrer le système de génération d’aérosols.
      1. Étape 1 : Cliquez sur suivant dans la fenêtre Channel calibrage après avoir confirmé qu’il y a une coche dans la case aérosol concentration mesure instrument (MicroDust Pro).
      2. Étape 2 : Dans la fenêtre de valeur s’applique, cliquez sur suivant. Étape 3 : Entrez la valeur cible entrée 0 g/m3. Étape 4 : Place le périnéal étalonnage insert dans la fente pour compléter le processus d’étalonnage et appuyez sur suivant pour accéder à la fenêtre suivante.
      3. Entrez la valeur lue sur l’appareil de mesure de concentration aérosol. Appuyez sur suivant après avoir entré cette valeur. Examiner la fenêtre résultats d’étalonnage et cliquez sur suivant.
    2. Dernière étape : Dans la fenêtre d’étalonnage complète, cliquez sur Terminer. Pour système Flow Test, dans la fenêtre de test, test pompes 1 et 2 (se reporter au manuel d’utilisation).
    3. Confirmer – « Souhaitez-vous commencer à enregistrer des données en continu ? », cliquez sur Oui. Confirmer – « Vous souhaitez commencer le profil par défaut ? », cliquez sur Oui.
  3. Exposition d’aérosol cigarette électronique
    1. Si faire une étude d’inhalation en vivo , placer les souris dans l’exposition totale du corps ou des chambres en ce moment.
    2. Se rendre immédiatement à la fenêtre de profils et faites un clic droit sur le profil désiré, faites défiler vers le bas pour commencer la tâche d’engager un biais flux d’air frais à l’intérieur de l’exposition ou des chambres.
    3. Lorsque vous êtes prêt à lancer la génération aérosols e-cig et expérience de l’exposition, faites un clic droit sur le profil désiré dans la fenêtre profils, faites défiler vers le bas pour commencer la tâche et faites un clic gauche pour sélectionner (Figure 4).
    4. Étape essentielle: on enregistre la concentration mesurée par l’instrument de mesure de concentration aérosol. La concentration doit être > 0 mg / m3.
      Remarque : Le principe de fonctionnement de dispositif repose sur la détection optique et est utilisé dans ce système pour fournir une évaluation qualitative en temps réel des niveaux d’exposition dans la chambre.
    5. Veiller à ce que e-liquide est disponible dans le réservoir pendant toute la durée de l’exposition.
    6. Pour arrêter l’expérience après avoir atteint la durée de l’exposition souhaitée, faites un clic droit sur le profil, faites défiler vers le bas pour arrêter le profil et faites un clic gauche pour sélectionner. Veiller à ce que le flux de biais est lancé immédiatement après l’achèvement du profil de l’exposition.
    7. Supprimer les sujets (animaux) de la chambre d’exposition et les retourner à leur cage de logement et de la salle.

3. après l’exposition analyse

  1. À la fin de la session expérimentale, fermer le logiciel d’exploitation et arrêt du dispositif de mesure de concentration aérosol.
  2. Détacher la cassette avec le filtre de la pompe et enregistrer l’heure quand il a été supprimé. Placer le filtre dans un dessiccateur et laisser sécher pendant au moins 48 h (de préférence de 96 h) le filtre. Puis, peser le filtre avec les particules d’aérosols accumulé e-cig et consignez le poids.
  3. Calculer la concentration de particules totales (PT) en masse par bouffée23.
    1. Enregistrer la masse accumulée sur le filtre. Calcule le volume total prélevé au cours de la période d’exposition à l’aide de la durée de l’échantillonnage et le débit de la pompe.
    2. Diviser la masse collectée sur le filtre par le volume d’air.
      Note: TPM concentration est exprimée en poids par unité de volume. La concentration de TPM de diviser par le nombre total de souffles généré par le profil de e-cig utilisé.

4. nettoyage et entretien

  1. Versez sur le e-liquide dans le réservoir de e-cig, vider le condenseur à l’aide de la seringue jointe. Veiller à ce que la bobine de l’atomiseur n’a pas brûlé pendant l’expérience. Changer la bobine de l’atomiseur après chaque expérience.
  2. Nettoyer les pompes après chaque expérience. Détachez les têtes de pompe et retirer les connecteurs et les vannes. Essuyez tout excès d’humidité e-liquide ou accumulés à l’aide d’un tampon de coton ou tissu.
  3. Nettoyer les chambres de l’exposition totale du corps. Suivez les instructions du fabricant et supprimer n’importe quel e-liquide condensé de toutes les surfaces.
    Remarque : Il est recommandé d’éviter la consommation d’alcool, car cela pourrait causer des dommages irréversibles.

Representative Results

Le tableau 1 montre les caractéristiques de l’environnement de l’exposition dans une chambre de tout le corps 5 L suite de génération d’aérosols e-cig. Ces données sont le résultat d’une session de 2 h d’exposition avec seulement le transporteur solvants e-liquide base, i.e., ratio 50/50 de PG et VG en l’absence d’aromatisants ou de la nicotine. L’aérosol a été produite par un appareil de troisième génération alimenté par batterie e-cig avec une résistance de 0,5 Ω. Un total de sept e-cig tensions ont été testés avec un profil de topographie du volume de 70 mL bouffée, bouffée de 3 s et intervalles de 1 min. Comme prévu, augmentation de tension e-cig conduit à des concentrations plus élevées de module de plateforme sécurisée d’aérosols dans l’enceinte d’exposition utilisé, tel que rapporté à la masse calculée par gravimétrie (mg) par bouffée. Toutefois, les variations de concentration de TPM suivent un modèle un peu sigmoïde sur la gamme de tensions étudiée. La relation entre la tension et la concentration de TPM est initialement linéaire de 1,8 à 3,2 V et affiche un saut exponentiels avec un plateau ultérieur entre 3,2 et 4,8 V.

La figure 5 montre les résultats d’une caractérisation physique des aérosols e-cig à l’intérieur de la chambre d’exposition de l’ensemble du corps. Numéro particulaire et distribution de taille ont été mesurés dans des conditions expérimentales variées à l’aide d’un balayage sizer de particule de motilité. Une large gamme de concentrations de massives et de numéro, mais aussi les distributions granulométriques, principalement composées de particules fines et ultrafines, peut être obtenue en utilisant prédéfinis ou défini par l’utilisateur automatisés bouffées profils variés qui peuvent être ajustés ou modifiés via le logiciel (Figure 6), mais aussi des options de conception pour le dispositif e-cig (i.e., tension de batterie ou de résistance bobine atomiseur). Ces résultats mettent en évidence la polyvalence du système exposition permettant de simuler, dans un cadre expérimental, un large éventail de profils de topographie possible humain e-cig.

À titre d’exemple, un environnement d’exposition e-cig expérimental a été créé sur les informations courantes concernant les préférences des consommateurs e-cig et a ensuite été caractérisé (tableau 2). Ici, le dispositif de e-cig était équipé d’un gicleur de bobine de la Ω 0,5 et exploité à 3,2 V. Le profil de topographie utilisé se composait d’un volume de 55 mL bouffée, bouffée 3-s et des intervalles de 30 s, tandis que le e-liquide testé inclus les solvants porteurs (i.e., PG et VG à un ratio de 50/50), seuls ou en combinaison avec la saveur de la nicotine et de la cannelle 36 mg/mL (Tableau 2). Sur une période de 2 h d’exposition, le profil de cette exposition attire un plus grand nombre de bouffées et permet pour un volume total supérieur à échantillonner en comparaison avec les 70 auparavant indépendants-mL, 1 bouffée de profil min (13 200 mL contre 8 400 mL, respectivement). En conséquence, une masse de particules plus petite moyenne par bouffée est obtenue en vertu de ce profil de topographie pour une même tension et la même puissance (tableaux 1, 2). Les résultats semblent indiquer que la présence de la nicotine et la saveur de cannelle dans le e-liquide peut avoir un effet négatif sur la masse de particules par bouffée. Cependant, la différence entre les deux conditions expérimentales n’a pas atteint le niveau de signification statistique.

Les résultats d’une analyse chimique de l’aérosol de e-cig généré avec le profil de la topographie de ce dernier (volume 55 mL bouffée, bouffée 3-s et des intervalles de 30 s) figurent au tableau 3 et Figure 7. Un total de 82 bouffées de e-cig aérosol généré moins 3,2 V avec un e-liquide composé du ratio 50/50 de PG et VG, nicotine 36 mg/mL, et saveur cannelle échantillons ont été prélevés sur des filtres à base de silice qui ont été ensuite utilisés pour la caractérisation chimique de la e-cig Emission par GC/MS techniques. Cet échantillon a été prélevé à droite après le condenseur. L’analyse a révélé que, en plus de la nicotine et du cinnamaldéhyde qui étaient attendus, les autres composés comme l’acroléine, catéchol et benzothiazole ont été identifiés dans l’aérosol de e-cig. Ces produits chimiques sont connus irritants respiratoires et montrent la complexité de la composition de l’aérosol une fois que le e-liquide est chauffé et en aérosol.

En plus de la caractérisation physico-chimique de e-cig aérosol, le système de générateur et de l’exposition e-cig utilisé convient aussi pour les expositions animales. Comme illustré dans la Figure 8, la concentration de sérum cotinine, un métabolite de la nicotine, peut être utilisé pour surveiller ou confirmer des expositions aux e-cig aérosol contenant la nicotine de e-liquides chez les souris. Dans l’exemple présent, les souris exposées à des aérosols de e-cig a affiché une augmentation significative de leur concentration sérique de la cotinine.

Figure 1
Figure 1. Générateur de E-cig déconstruit vue. Image montre les différents éléments composant le générateur de e-cig (unité e-cig, base du réservoir, atomiseur, réservoir, manchon de réservoir, adaptateur de tuyau).

Figure 2
Figure 2. Atomiseur de générateur de E-cig. Image de l’endroit où mettre les e-cig liquide en atomiseur.

Figure 3
Figure 3. Vue d’ensemble E-cig. Image montre générateur de e-cig assemblé avec extension, y compris le condenseur.

Figure 4
Figure 4. Générateur de E-cig, logiciels d’exploitation. Image montre la sélection du profil vaping sur le logiciel. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Caractérisation physique représentante des e-cig aérosols générés par un générateur de troisième génération e-cig dans une chambre de 5 L montre (A) l’impact de l’alimentation du périphérique e-cig (6-40 W) sur les conditions d’exposition qui peut être généré et (B) que les aérosols e-cig sont composé de particules fines et ultrafines. Numéro distribution de concentration et de la taille des particules mesurées à l’aide d’un balayage sizer de particule de mobilité. Paramètres d’exposition : atomiseur résistance 0,5 Ω et tension variant de 1,8 à 4,8 V ; vaping sous un profil de topographie de soit 3 bouffée de s, volume 70 mL bouffée chaque 60 s ou 3 s bouffée, 55 mL puff volume toutes les 30 s ; à l’aide d’un e-liquide composé de PG et VG à un ratio de 50/50. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Automatisé, soufflant des profils peut être créé, ajustée ou modifiée via le logiciel. Images montre une des étapes de l’Assistant de création de profil qui permet de saisir les facteurs de topographie vaping clés, y compris le volume de bouffée, bouffée, bouffée intervalle et feuilletée profil. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7. Spectre de GC/MS des résultats pour les aérosols de e-cig. Comme décrit dans le tableau 3, e-cig aérosol a été produite en utilisant le dispositif de e-cig avec un atomiseur de bobine Ω 0,5 à 3,2 V vaping sous un profil de topographie de volume de bouffée de 55 mL, 3 s bouffée et intervalles de 30 s avec un e-liquide, composé d’un ratio 50/50 de PG et VG , goût de la nicotine et de la cannelle 36 mg/mL. Un échantillon de 82 bouffées de e-cig aérosol a été recueilli à droite après le condenseur sur un filtre à base de silice, qui a ensuite été utilisé pour l’analyse chimique par chromatographie en phase gazeuse - techniques de spectrométrie de masse (GC/MS). (A) tout le spectre ; (B) Zoom po s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8. Schéma du système d’exposition e-cig pour les études sur les animaux. Le système d’inhalation aérosol corps entier e-cig (A) est adapté aux expositions animales, avec cotinine niveaux dans e-cig exposés mâles souris BALB/C (B) qui sont comparables aux niveaux d’exposition de la fumée de cigarette. Air groupe cotinine niveaux 0,3 à 1,2 ng/mL. N = 6 par groupe, *p < 0,05. Souris/rat cotinine ELISA. Paramètres d’exposition : atomiseur résistance et batterie tension réglé à 1,5 Ω et 4,2 V, respectivement ; vaping sous un profil de topographie de la bouffée de 3 s et un mL 55 puff volume toutes les 30 s ; à l’aide d’un e-liquide composé de 36 mg/mL de nicotine, saveur de cannelle et un ratio de 50/50 PG/VG. Souris ont été exposées à une concentration de TPM de 0,12 ± 0,09 mg/bouffée de e-cig aérosol pour 2 h/jour pendant 28 jours, tandis que les contrôles ont été exposés à l’air filtré. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

E-cig, tension (V) E-cig, puissance (W) Masse par bouffée (mg) Chambre Température de la chambre (oC)
Humidité relative (%)
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

Tableau 1. E-cig paramètres de l’appareil testés et des conditions d’exposition dans une chambre d’exposition de 5 L avec un atomiseur de bobine de 0,5 Ω. Profil de topographie pour une exposition de 2 h : 70 mL puff volume, 3 bouffée de s et 1 min d’intervalle, en utilisant seulement transporteur solvants base e-liquide, c’est à dire., ratio 50/50 PG et VG. Toutes les tensions ont été testées en triple exemplaire (n = 3). Données sont exprimées en moyenne ± écart-type (SD).

E-cig, tension (V) E-cig, puissance (W) E-liquide nicotine (mg/mL) E-liquide saveur Masse par bouffée (mg) Chambre Température de la chambre (oC)
Humidité relative (%)
3.2 16,6 ± 0,2 0 Aucun 0,273 ± 0,184 47,4 ± 3,9 23,6 ± 0,2
3.2 15,9 ± 1,3 36 Cannelle 0,102 ± 0,078 59,6 ± 3,1 22,7 ± 0,2

Le tableau 2. E-cig paramètres de l’appareil testés et des conditions d’exposition dans une chambre d’exposition de 5 L avec un atomiseur de bobine de 0,5 Ω. Profil de topographie pour une exposition de 2 h : volume de bouffée de 55 mL, 3 s bouffée et intervalles de 30 s, utiliser 1) seul transporteur solvants base e-liquide, c’est à dire., ratio 50/50 PG et VG et base 2) e-liquide + nicotine (36 mg/mL) et arôme de cannelle. Les deux e-liquides ont été testés en triple exemplaire (n = 3). Données sont exprimées en moyenne ± SD

Liste de composés organiques en aérosol de la e-cig
2-propénal (acroléine)
7-Pentatriacontene
10-Octadecenal
Benzothiazole
Catéchol
Aldéhyde cinnamique
Éthoxy acétique
Nicotine
Vanilline

Tableau 3. Liste non exhaustive des composés trouvés dans l’aérosol de e-cig. E-cig aérosol a été produite à l’aide de l’appareil e-cig avec un atomiseur de bobine de 0,5 Ω fixé à 3,2 V vaping sous un profil de topographie de volume de bouffée de 55 mL, 3 s bouffée et intervalles de 30 s avec un e-liquide, composé d’un ratio 50/50 de PG et VG , goût de la nicotine et de la cannelle 36 mg/mL. Un échantillon de 82 bouffées de e-cig aérosol a été recueilli à droite après le condenseur sur un filtre à base de silice, qui a ensuite été utilisé pour l’analyse chimique par chromatographie en phase gazeuse - techniques de spectrométrie de masse (GC/MS).

Discussion

Une question sans réponse majeure est si une exposition prolongée à la e-cig aérosol entraîne une toxicité pulmonaire. En outre, la sécurité générale de e-CIG au sujet de la santé humaine est toujours un sujet de controverse. En août 2016, la FDA a étendu son pouvoir de réglementation sur tous les produits du tabac, y compris les e-cigs. Recherche de E-CIG, cependant, est difficile et complexe, due principalement à 1) l’absence d’évaluations standardisées ; 2) la grande variété de e-cig périphériques (~ 2 800 différents modèles des marques identifiées 466)24; 3) plus 7 700 uniques e-liquide saveurs24; 4) les différentes combinaisons possibles des ratios humectant. Compte tenu de la complexité du champ, il est essentiel, afin de relever le défi et de générer des données scientifiques fiables, que considérations attentive aux conditions expérimentales et reproductibles procédés sont utilisés. Dans la présente étude, l’accent a été mis sur la description d’une technique de génération d’aérosols de e-cig qui permettre aux enquêteurs d’obtenir des ensembles de données uniques associés à continuums de réaliste et complet e-cig aérosol effet lié à l’exposition. Ceux-ci peuvent être pertinentes en temps opportun pour adresse e-cig-sécurité ou des questions de toxicité pour la mise en place des règlements sur les caractéristiques de conception e-cig qui potentiellement peuvent avoir un impact direct sur les politiques de santé publique.

Dans le présent article, environnements significative de l’exposition ont été générés à l’aide d’un système informatisé capable d’intégrer la dernière génération de dispositifs e-cig comme permettant de profils bouffées automatisés prédéfinis ou défini par l’utilisateur et jeu de fonctionnement conditions (p. ex.., constant power source, les valeurs normales de la résistance, tension ou température). Ces profils de bouffées automatiques incluent les conditions standards : volume de bouffée de 55 mL, 3 bouffée de s, 30 s puff intervalle et place puff le profil de la « Routine machine analytique pour génération de e-cigarette aérosol – définitions et norme conditions » fournies par la méthode recommandé Coresta (CRM) N ° 8125 (tableau 2). Étant donné que le système utilisé peut générer différents profils de bouffées automatisés, il également est conforme à ISO 20768 (vapeur produits – machine vaping analytique de Routine – définitions et conditions normalisées)26 bouffées exigences de régime. Comme attendu, e-cig bouffées régime conditions normalisées contrastent avec ceux de l’ISO 330827, qui définit les conditions standards pour les machines de tabagisme (volume de bouffée de 35 mL, 2 bouffée de s, 60 s puff intervalle et profil de bouffée de bell). Ces différences entre les habitudes de fumer des cigarettes et e-cig vaping modèles parmi les utilisateurs sont bien établis28. Dans la présente étude, les exemples et les données fournies montrent que les aérosols générés par ce système et un dispositif de troisième génération e-cig avec tension réglable produisent des concentrations élevées de TPM, atteignant jusqu'à 0,27 et 0,82 mg par bouffée de 55 à 70 mL, respectivement. E-cig aérosols à ces concentrations ont été prélevés juste après la chambre d’exposition (tableau 1-2, Figure 5). Les résultats montrent également qu’il y a plus qu’une différence de 160-fold dans la masse de particules par bouffée produites avec des tensions allant de 1,8 à 4,8 V (tableau 1). Cette plage de tension est caractéristique des paramètres de fonctionnement des dispositifs e-cig sur le marché américain, qui prévoyant l’application d’une tension allant de 2,9 à 5,2 V29. Les résultats sont également conformes aux données publiées antérieurement18,21 , où des niveaux élevés de module de plateforme sécurisée recueillies à la sortie du générateur e-cig ont été signalés pour des profils similaires de topographie (1,4 à 5,8 mg/feuilletée). Étapes critiques au sein du protocole comprennent l’ajout de quelques gouttes de e-liquide à l’atomiseur avant chaque session d’exposition afin d’assurer une) qu’aucune brûlure sèche n’est produite ; b) e-liquide est disponible dans le réservoir pendant toute la durée de l’exposition ; et vérifiez que l’aérosol de e-cig est généré comme prévu en prenant des lectures régulières sur le dispositif de mesure de la concentration en temps réel. Il est bien établi que e-cig utilisateurs essaient d’éviter les choux à la sec, qui se produire dans des conditions de combustion sèche. Cette condition vaping est liée à la formation des niveaux élevés d’aldéhydes, notamment le formaldéhyde, un agent cancérigène et toxique respiratoire13,30. Par conséquent, veiller à ce que cette condition est évitée durant les expositions est crucial. Enfin, en ce qui concerne l’exposition à la nicotine, des souris exposées à e-cig aérosol de 36 mg/mL contenant de la nicotine e-liquide pendant 2 h par jour de 28 jours (niveaux de 0,12 mg/feuilletée) présentée les concentrations sériques de cotinine de 91 ng/mL (Figure 8) ; un niveau semblable à celui de la cigarette fumeurs (> 100 ng/mL)31,32,33, qui est même inférieur à celui de la e-cig régulière utilisateurs (cotinine salive médian de 252 ng/mL)34. Il a été signalé dans une étude de topographie vaping que 235 était le nombre maximal de bouffées par jour prises par e-cig utilisateurs35,36. Ceci est très similaire à notre profil d’exposition produisant 1 bouffée chaque 30 s pour 2 h par jour (total de 240 bouffées). Ainsi, ce profil de topographie vaping modèles de comportement et consommation bouffée quotidienne de e-cig utilisateurs.

Ces dix dernières années, e-cig dispositifs évolué à partir d’appareils de première génération, cigarette-like, usage unique, peu puissant, aux dispositifs de style de deuxième génération réservoir amovible et rechargeable et maintenant aux appareils de troisième génération réservoir style avec personnalisable dispose de24 pour la résistance de bobine de 1) l’atomiseur : l’élément responsable de chauffage le e-liquide et 2) le contrôleur de puissance, qui un) peut fonctionner avec des tensions différentes, b) affecte la température de l’élément chauffant et c) détermine si oui ou non la température d’ébullition de la solution est atteint24,37. Lors de l’utilisation de l’e-cig, e-liquide est habituellement chauffé à 200 ° C ou supérieure38, et c’est sous la forme d’aérosol qui ses constituants interagissent avec les matrices biologiques. Par conséquent, la caractérisation des aérosols de e-cig est essentielle. E-liquides solvants diffèrent par la volatilité telle que des solutions composées essentiellement de PG (70 %), qui sont moins visqueux et s’évaporer à une basse température37, produisent des aérosols avec des particules relativement plus petites qui augmentent l’expérience de l’utilisateur « gorge hit » 20. en revanche, axée sur le VG e-liquides pulvériser au plus élevé des températures37 et produisent des aérosols de particules relativement plus importantes qui, de l’expérience de l’utilisateur, augmente la saveur et la quantité de vapeur généré5, 17,39. Ainsi, il a été établi précédemment que le ratio de PG/VG du e-liquide influence la distribution granulométrique des particules présentes dans l’e-cig aérosol19,20. Comme illustré à la Figure 5, à l’aide d’un e-liquide composé d’un ratio de 50/50 PG/VG, e-cig aérosols avec un diamètre médian de ~ 100 nm ont été obtenus. Ces résultats sont dans la même gamme que ceux rapportés par Baassiri, et al. 20. il semble donc qu’en plus de la base de e-liquide, les paramètres d’exposition, y compris le e-cig de fonctionnement réglages (résistance, tension et courant) et souffler le profil peuvent affecter les caractéristiques physiques des aérosols produits. En outre, la concentration de nicotine et aromatiser les produits chimiques ajoutés à la base de e-liquide aussi peuvent potentiellement influencer les propriétés physico-chimiques de e-cig aérosol. Il a été démontré précédemment qu’un e-liquide qui est moins visqueux produit un aérosol composé de particules plus fines, ce qui entraîne une vapeur moins dense, ce qui donne une plus faible de concentration TPM17. En utilisant le même ratio de PG/VG pour les deux e-liquides testés, le e-liquide contenant 36 mg/mL de nicotine et chimique d’arôme de cannelle, ce qui implique qu’il est plus dilué que la base de e-liquide uniquement (PG/VG ++ la nicotine saveur cannelle contre PG/VG seul), est apparu moins visqueux que le e-liquide composé uniquement de PG et VG. La différence apparente dans la viscosité entre les deux e-liquides peut-être expliquer la disparité dans la masse par bouffée obtenue dans le cadre de e-cig égale vaping paramètres (tableau 2). Cependant, TPM inférieur peut-être être corrélés pas avec aérosol moins nocif, puisque la distribution granulométrique et la caractérisation chimique de l’aérosol doivent également être considérés. En effet, la dégradation thermique de VG et les interactions chimiques entre les composantes de e-liquide produisent des émissions d’aldéhydes nuisibles, y compris le formaldéhyde et l’acétaldéhyde, connu pour être puissants menaces pour la santé humaine15,17 ,,40. Tel qu’indiqué dans le tableau 3, l’analyse chimique de l’aérosol de e-cig produite ici ont révélé qu’il contenait aussi l’acroléine, monochlorophenol, catéchol et benzothiazole. Tous sont connus irritants respiratoires, tandis que le catéchol est classé comme cancérogène pour les humains (groupe 2 b) selon l’Agence internationale de recherche sur le Cancer (CIRC)41,42,43 . Cela ajoute aux effets liés à la chimie de l’aromatisant incorporé dans le e-liquide. Par exemple, la cinnamaldéhyde et diacétyle, deux des substances chimiques prioritaires arôme saveur and Extract Manufacturers Association pour risque respiratoire, lorsqu’ils sont inhalés par les travailleurs, ont démontré à altérer la fonction pulmonaire et la cause (lésions pulmonaires irréversibles Bronchiolite oblitérante, à savoir « poumon de pop-corn »)44. Cinnamaldéhyde s’est avéré être très cytotoxiques in vitro45,46,,47 et est très populaire dans les e-liquides48. Dans la présente étude, la présence du cinnamaldéhyde a été identifiée dans l’aérosol e-cig, de la cannelle e-liquide assaisonné (tableau 3 et Figure 7). Dans l’ensemble, cela démontre la nécessité d’analyser les aérosols de e-cig pour les caractéristiques, tant physiques que chimiques.

Comme mentionné ci-dessus, la technique de l’exposition décrite ici peut être extrêmement polyvalente. Il permet les modifications du régime bouffée (via le logiciel), des caractéristiques d’utilisation de l’appareil e-cig ou encore du type de chambre d’exposition (nez seulement et corps entier) (via le hardware). Cela fournit à l’enquêteur avec toute la flexibilité d’adapter ou d’ajuster les conditions expérimentales aux besoins de chaque projet de recherche. Cette technique de dépannage vise à assurer que les connexions entre les e-cig condenseur, les tubes, les pompes et les chambres sont solidement fixées, et que toutes les chambres sont correctement scellés (pour plus d’informations reportez-vous au manuel de l’utilisateur). Comme l’a noté et testés dans cette étude, une variété de facteurs peut influer sur la e-cig aérosol production et composition22. Ces facteurs sont associés avec les ratios et les constituants de la formulation de e-liquide, qui ont une incidence le composant chimique de l’aérosol, ainsi que les caractéristiques du dispositif sélectionné e-cig et les paramètres de l’opération, qui influent sur les conditions de chauffage utilisé pour pulvériser le e-liquide et donc la composition, ainsi que le composant physique de l’aérosol. E-liquides sont composées de GRAS les additifs alimentaires, cependant, leur sécurité après chauffage et aérosolisation n’a pas été établie. Surtout, les utilisateurs de e-cig inhalent ces aérosols et contrôlent le profil bouffée ainsi que le choix de e-liquide et les paramètres d’exploitation (tension et résistance) de leurs dispositifs d’e-cig. Voici les principaux facteurs qui peuvent avoir un impact significativement les émissions d’aérosols de e-cig et doivent donc être soigneusement contrôlées et signalées dans la recherche expérimentale.

En tant que méthodes plus expérimentales, la technique d’exposition e-cig présent a avantages et limites. Bien que souple et bien adapté pour les études toxicologiques, on sait aussi que les souris sont nez cracheurs et que confiné expositions peuvent aussi permettre d’absorption par voie cutanée et orale, en plus de la voie d’exposition par inhalation. Les avantages et les inconvénients de l’utilisation de tout le corps et le nez seulement inhalation expositions ont été décrits abondamment ailleurs49,50. Tandis que les expositions nez seulement imitent plus les modèles d’inspiration/expiration qui régissent le transport et le dépôt de particules dans les voies respiratoires, ce mode d’exposition est plus stressant pour les animaux et n’est pas suffisant pour inhalation à long terme études à l’aide de nombreux animaux49. En outre, les études qui ont comparativement les expositions confiné et nez seulement chez les rongeurs exposés par inhalation à la substance même toxique dans les mêmes conditions d’exposition (TiO2 nanoparticules, la fumée de cigarette) ne trouvent aucune différence statistique entre ceux deux modes d’exposition pour le dépôt des particules pulmonaire et pulmonaire réponses50,51. Les effets induits par une exposition chronique au e-cig aérosol étant en grande partie sans papiers et sous visé par l’enquête, le système d’exposition e-cig décrit dans ce manuscrit est utile pour combler cette lacune. En outre, le dispositif de machine-vaping de troisième génération utilisé dans cette étude est axée sur une configuration horizontale. Il est possible que l’orientation de l’appareil pourrait avoir un effet sur la production d’aérosols ; Cependant, au meilleur de nos connaissances, pour les appareils de troisième génération e-cig, la variable orientation n’a pas été testée auparavant. L’orientation horizontale est la position par défaut pour les utilisateurs débutants de e-cig. Cela contribue à promouvoir le meilleur effet de mèche et minimise les risques de fuite de e-liquide. Ainsi, l’orientation horizontale est représentatif des comportements vaping des populations d’utilisateurs de e-cig et a été utilisée par d’autres groupes de recherche21. Il est également important de noter que la puissance affichée sur l’appareil e-cig peut légèrement différer de la puissance réelle fournie à l’appareil22,52, et que par conséquent il peut aussi être conseillé de mesurer la puissance d’alimentation externe ou utiliser une cordon d’alimentation pour un approvisionnement constant de l’énergie.

Il y a une recherche substantielle et un manque de connaissances des biomarqueurs de toxicité liés à l’exposition à long terme aux aérosols de e-cig. Ce système d’exposition représente un pas en avant dans ce domaine en permettant aux chercheurs de déterminer les effets de l’exposition par inhalation à long terme des animaux au liquide en aérosol e-cig. Autres méthodes d’exposition e-cig existantes ont aussi la capacité d’enquêter sur l’impact des bouffées de régime et d’exploitation de périphériques e-cig sur les points-limites toxicologiques19,20,22,53 . Ces systèmes d’exposition aidera à fournir des preuves scientifiques pour les futurs règlements sur les nouveaux produits de tabac autres. En fin de compte, les études toxicologiques bien menées et adaptés aidera à mieux informer les décideurs politiques, les fournisseurs de soins de santé et les 9 millions américains qui sont des utilisateurs de e-cig4. Plus important encore, les systèmes d’exposition qui ne reproduisent pas les scénarios de vie réelle vaping doivent être évitées. E-liquides sont généralement chauffés à 200 ° C ou une plus grande température38 dans un dispositif e-cig, par conséquent, des scénarios où le e-liquide est simplement nébuliser, ou chauffé à 37 ° C et ensuite nébuliser8, n’est pas comme représentatifs des utilisateurs de e-cig consommation. Actuellement, e-cig consommateurs peuvent atteindre potentiellement dangereux e-cig niveaux constitutifs de l’aérosol en utilisant les caractéristiques de conception d’appareils de troisième génération e-cig qui permettent l’adaptation des conditions de chauffage distinctif par des changements dans l’enroulement de l’atomiseur la résistance et la tension de la batterie. Par conséquent, les études expérimentales plus sont nécessaires pour déterminer la santé effets liés à chronique par inhalation exposition aux aérosols de e-cig. Cela commence par l’établissement standardisée et reproductible e-cig exposition systèmes25,26. Ainsi, avoir un système d’exposition e-cig polyvalent qui permet un large éventail de scénarios d’exposition, y compris automatisé vaping représentant les profils de topographie, est un atout pour la conduite d’études expérimentales.

Disclosures

JM et AR sont employés par SCIREQ Scientific Inc. équipement respiratoire, une entité commerciale impliqués dans les sujets liés au contenu de cet article. SCIREQ Inc. est une société de TECHNOLOGIES emka.

Acknowledgments

Ce projet a été soutenu par une subvention du gouverneur de la Louisiane Biotechnology Initiative GBI-BOR #013 (AP), ainsi que par la Louisiana State University, School of Veterinary Medicine fonds de démarrage faculté (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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