Jednorazowe e-papierosy i związane z nimi ryzyko dla zdrowia: badanie eksperymentalne
Zostaw wiadomość
Jednorazowe e-papierosy i związane z nimi ryzyko dla zdrowia: badanie eksperymentalne
Abstrakcyjny
Powszechne jest stosowanie elektronicznych systemów dostarczania nikotyny (ENDS), w tym jednorazowych e-papierosów. Istniejące analizy chemiczne ENDS skupiały się raczej na e-płynach niż na aerozolach i nie uwzględniały rozmiarów cząstek ani frakcji osadzania się aerozolu w drogach oddechowych, które są kluczowymi czynnikami wpływającymi na dawki wziewne. W badaniu tym zbadano organiczne składniki chemiczne i metale w segregowanym pod względem wielkości aerozolu ENDS oraz oceniono osadzone dawki i ryzyko dla zdrowia tych substancji. Analizy chemiczne aerozoli przeprowadzono na dwóch popularnych jednorazowych produktach ENDS: Puff Bar (winogronowy) i Air Bar (arbuzowy lód). Wygenerowano aerozol ENDS i dostarczono go do jednorodnego impaktora depozytowego z mikrootworami w celu pobrania próbek aerozolu posegregowanych pod względem wielkości, w których analizowano organiczne substancje chemiczne i metale. Oszacowano dzienne i życiowe dawki każdej substancji chemicznej. Na podstawie zdeponowanych dawek przeprowadzono ocenę ryzyka wystąpienia nowotworu i nowotworu. Odkryliśmy, że aerozol do e-papierosów zawiera pewne szkodliwe organiczne substancje chemiczne i metale, które mogą powodować problemy z oddychaniem. Szacunkowe ryzyko raka układu oddechowego odpowiadające chromowi z obu produktów ENDS i niklowi z Air Bar (lód arbuzowy) znacznie przekraczało tradycyjnie akceptowalne ryzyko. Metoda, ustalenia i implikacje mogą wnieść wkład do istniejącej literatury dotyczącej badań toksyczności ENDS, a także pomóc w przepisach dotyczących wyrobów tytoniowych i przyszłych badaniach na dużą skalę.
Słowa kluczowe:
jednorazowe e-papierosy; toksyczność aerozolu; ryzyko dla zdrowia; rozkład wielkości cząstek; odkładanie się dróg oddechowych1. Wprowadzenie
Używanie elektronicznych systemów dostarczania nikotyny (ENDS), w tym e-papierosów, jest powszechne wśród młodzieży i młodych dorosłych i stało się problemem zdrowia publicznego. Według naszej wtórnej analizy danych z badania National Health Interview Survey z 2019 r. wskaźniki rozpowszechnienia kiedykolwiek i obecnego stosowania ENDS wśród młodych dorosłych wyniosły odpowiednio 32,4% i 9,4%, po tendencji wzrostowej w ciągu ostatniej dekady [1]. Co więcej, badanie wykorzystujące dane z badania National Youth Tobacco Survey z 2019 r. wykazało, że 27,5% uczniów szkół średnich przyznało, że obecnie używa e-papierosów; wśród nich 34,2% zgłosiło częste używanie e-papierosów (tj. używanych przez 20 lub więcej dni w ciągu ostatnich 30 dni) [2]. Produkty ENDS są szczególnie atrakcyjne dla młodzieży i młodych dorosłych ze względu na ich możliwości dostosowania i nowatorskie właściwości [3,4,5], niższe postrzegane ryzyko [6,7] i wyższą akceptację społeczną niż papierosy palne [8].
Produkty ENDS są różnorodne i szybko ewoluują, począwszy od wyrobów jednorazowego użytku przypominających papierosy (pierwsza generacja), poprzez systemy wkładów (drugiej generacji), systemy zbiorników (trzecia generacja) i urządzenia z solą nikotyny, takie jak JUUL (czwarta generacja). Ostatnio popularność JUUL została dogonona przez jednorazowe urządzenia do e-papierosów podobne do JUUL (zwane dalej „jednorazowymi KONIECZKAMI”) ze względu na ich opcje smakowe, przyciągający wzrok design i opakowanie, niską cenę i wygodę (tj. w jednym, samowystarczalny, bez uzupełniania e-liquidu i bez ładowania akumulatora) [2,9]. Przemysł tytoniowy wykazał się niezwykłą pomysłowością w dostarczaniu nowych/modyfikowanych produktów zgodnie z przepisami [10]. Na przykład od chwili przeprowadzenia tego badania na początku 2022 r. jednorazowe produkty ENDS nie podlegają ograniczeniom federalnych przepisów dotyczących smaku ze względu na wąską definicję wkładu FDA [11]. W rzeczywistości 85,8% obecnych młodych użytkowników kupuje jednorazowe ENDS o smakach owocowych [12].
Badania wykazały, że produkty ENDS zawierają substancje aromatyczne, z których niektóre powodują podrażnienie lub uszkodzenie dróg oddechowych, takie jak δ-dodekalakton, mentol, alkohol benzylowy i korylon [13,14,15,16]. Co więcej, elementy grzejne (np. atomizer/cewka) i zbiorniki urządzeń ENDS składają się z metali, które mogą przedostawać się do e-płynu i aerozolu podczas użytkowania, przy czym chrom i nikiel są głównymi czynnikami ryzyka nowotworu [17,18]. Jednakże istniejące analizy chemiczne przeprowadzone dla produktów ENDS, w tym jednorazowych ENDS, skupiały się głównie na e-liquidzie, który niekoniecznie odzwierciedla substancje chemiczne zawarte w aerozolu ENDS, które faktycznie osadzają się w drogach oddechowych użytkowników ENDS [15,19]. Chociaż istnieje kilka badań, w których analizowano aerozol ENDS [20,21,22] i oceniano związane z nim ryzyko dla zdrowia [18], w badaniach tych nie uwzględniono wielkości cząstek aerozolu ENDS i zależnego od wielkości ryzyka dla dróg oddechowych frakcji osadów przy szacowaniu zagrożeń dla zdrowia. Jest to poważny problem, ponieważ wielkość cząstek bezpośrednio wpływa na miejsce osadzania się w drogach oddechowych i frakcję osadzania się w drogach oddechowych. W rzeczywistości aerozol ENDS wytwarzany podczas wapowania to mieszanka kropelek cieczy o średnicy cząstek aerozolu w zakresie od ultradrobnych (poniżej 0,1 µm) do mikrometrowych (do około 4 µm). Zatem oczekuje się, że wdychany aerozol ENDS przedostanie się i osadzi w różnych obszarach dróg oddechowych człowieka w różnych dawkach. Co ważne, oczekuje się, że większość aerozolu ENDS będzie osadzać się w dolnych drogach oddechowych, co prawdopodobnie będzie miało negatywny wpływ na zdrowie ze względu na ogromną powierzchnię dróg oddechowych w okolicy pęcherzyków płucnych [23]. Zdeponowana dawka poprzedza dawkę wewnętrzną przed uwzględnieniem klirensu oddechowego i szybkości wchłaniania, a zatem może służyć jako główny wskaźnik oceny ryzyka zdrowotnego związanego z wapowaniem. Rozkład wielkości aerozoli ENDS i frakcje depozycji oddechowych są kluczowymi czynnikami pozwalającymi na dokładne oszacowanie tego wskaźnika obrotowego [23], dlatego należy go uwzględnić w ocenie ryzyka zdrowotnego.
W badaniu tym uzupełniono luki w wiedzy, stosując ulepszone podejście do szacowania dawek substancji chemicznych osadzonych w dwóch powszechnie przyjętych jednorazowych produktach ENDS oraz związanych z nimi zagrożeń dla zdrowia związanych z nowotworami i nienowotworami. W podejściu eksperymentalnym uwzględniono zależne od wielkości frakcje osadzania się aerozolu w drogach oddechowych i przeprowadzono analizę składników chemicznych aerozolu ENDS posegregowaną pod względem wielkości. Wyniki naszego badania mogą poprawić dokładność szacowania dawek substancji chemicznych ENDS osadzonych w płucach wapera, co z kolei może pomóc w tworzeniu przepisów dotyczących wyrobów tytoniowych i przyszłych badaniach na dużą skalę oceniających ryzyko dla zdrowia związane ze stosowaniem jednorazowych produktów ENDS.
2. Materiały i metody
2.1. Pobieranie próbek aerozoli ENDS segregowanych według wielkości
Analizy chemiczne aerozoli w tym badaniu przeprowadzono na dwóch popularnych jednorazowych produktach ENDS: Puff Bar (winogronowy) i Air Bar (lód arbuzowy). Wyboru tych dwóch jednorazowych produktów ENDS dokonano w oparciu o powszechność stosowania jednorazowych produktów ENDS w oddzielnym badaniu przeprowadzonym przez zespół badawczy, który badał zachowania studentów korzystających z ENDS. Te dwa jednorazowe produkty ENDS były najczęściej stosowane wśród uczestników badania.
W tym badaniu pobrano próbki aerozolu ENDS posegregowane pod względem wielkości przy użyciu mikrootworowego impaktora depozytowego (MOUDI 110-R, MSP Co., Shoreview, MN, USA). MOUDI jest w stanie zbierać próbki aerozolu o średnicy cząstek w zakresie od 0,056 do 18 µm w 11 etapach zbierania (tj. pobieranie próbek z segregacją według wielkości). Przewyższa skuteczność zwykłych przyrządów do bezpośredniego odczytu aerozoli, takich jak liczniki cząstek i spektrometry, które nie radzą sobie ze świeżo wygenerowanym aerozolem z e-papierosów o wyjątkowo wysokim stężeniu aerozolu. Każdy etap MOUDI ma zakres wielkości cząstek możliwych do zebrania i na podstawie tego zakresu wielkości cząstek można obliczyć średnią frakcję odkładania się w płucach (patrz Załącznik A, Tabela A1). Próbki aerozolu ENDS zebrane przez MOUDI na różnych etapach wykorzystano do obliczeń rozkładu wielkości cząstek i analiz składu chemicznego.
Aby zebrać jednorazowe próbki aerozolu ENDS, na każdym etapie MOUDI umieszczono filtry membranowe z politetrafluoroetylenu (PTFE) (PALL Co., Port Washington, NY, USA), a MOUDI pracował przy natężeniu przepływu próbkowania 30 l/min. Za pomocą strzykawki o pojemności 100 ml pobrano aerozol ENDS z dwóch jednorazowych produktów ENDS, a następnie wpompowano aerozol ENDS bezpośrednio do MOUDI w celu pobrania próbki. Procedurę tę powtórzono 10 razy (10 zaciągnięć), aby zgromadzić wystarczającą ilość aerozolu ENDS na każdym etapie MOUDI do późniejszej analizy masy i substancji. Po eksperymencie pobierania próbek filtry PTFE z pobranymi próbkami aerozolu ENDS wyładowano z MOUDI, indywidualnie zważono za pomocą mikrowagi, a następnie przesłano do laboratoriów w celu przeprowadzenia analizy substancji organicznych i analizy metali w celu zidentyfikowania zależnych od wielkości składników chemicznych w aerozolu ENDS. Pobieranie próbek przeprowadzono trzykrotnie dla każdego produktu ENDS, aby zapewnić wiarygodność i powtarzalność danych. Rozkład wielkości cząstek aerozolu ENDS i dane dotyczące składników chemicznych zależnych od wielkości odgrywają kluczową rolę w szacowaniu dawki określonej substancji chemicznej ENDS osadzonej w płucach wapera.
2.2. Analiza chemiczna organiczna i metalowa
Analizę chemii organicznej aerozolu ENDS przeprowadzono przy użyciu chromatografii gazowej ze spektrometrią mas (GC/MS) w celu wykrycia masy organicznych substancji chemicznych, takich jak nikotyna, PG, VG i środki aromatyzujące, na filtrach MOUDI w celu uzyskania informacji zależnych od wielkości. W szczególności zdemontowano dwie jednorazowe końcówki, aby zlokalizować knoty do waporyzacji nasączone e-liquidem. Główne składniki chemiczne e-liquidu najpierw ekstrahowano acetonitrylem i analizowano metodą GC/MS. Następnie próbki aerozolu ENDS na filtrach MOUDI ekstrahowano w ten sam sposób i zatężono do analizy GC/MS. Do analizy chemicznej GC/MS wykorzystano źródło jonów elektronowo-jonizacyjnych (GC/EI-MS, Agilent 6890N GC i obojętny 5975 XL MSD), a wszystkie substancje chemiczne oznaczono ilościowo przy użyciu autentycznych lub zastępczych standardów. Szczegółowe procedury analizy organicznej opisano w innym miejscu [23]. W analizie chemii organicznej odzysk docelowych analitów określono poprzez dodanie znanej ilości substancji chemicznych do ślepych filtrów (n=3) i ekstrakcję ich przy użyciu tych samych procedur, co w przypadku pobierania próbek aerozolu. Analizę metalu przeprowadzono przy użyciu spektrometrii masowej w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP/MS) w celu wykrycia masy niebezpiecznych metali, takich jak nikiel, chrom i ołów, na różnych filtrach MOUDI w celu uzyskania informacji zależnych od rozmiaru. Filtry MOUDI zostały najpierw poddane obróbce w celu ługowania kwasowego i mineralizacji przy użyciu ultraczystego, podwójnie destylowanego HNO3i HF, a następnie strawione roztwory próbek odparowano do początkowej suchości. Do analizy ICP/MS zastosowano wcześniej ustalony protokół przy użyciu ICP/MS Triple Quad (Model 8800, Agilent Technologies, Santa Clara, Kalifornia, USA) [24]. W ten sposób można uzyskać elementy metalowe do poziomu poniżej ppb (ng/g) z dokładnością ± 5%.
Analiza laboratoryjna w tym badaniu skupia się na szkodliwych organicznych substancjach chemicznych i metalach zidentyfikowanych wcześniej w aerozolu ENDS i opublikowanych w literaturze [14,18,25,26,27,28,29]. Dlatego też projekt naszej analizy chemii organicznej skupiał się na nikotynie, rozpuszczalniku nośnikowym (np. glicerynie, glikolu propylenowym, formaldehydzie, aldehydzie octowym, akroleinie, acetonie, metyloglioksalu, kwasie benzoesowym i cytrynianu trietylu), a także środkach aromatyzujących i innych substancjach chemicznych ( np. etylowanilina, wanilina, aldehyd cynamonowy, mentol, acetoina, cytral, alkohol benzylowy, benzaldehyd, diacetyl, octan etylu, etylomaltol, triacetyna, antranilan metylu, dihydrojasmonian metylu, melonal, korylon, δ-dodekalakton, -terpineol, -dekalakton i 3-szesnastkowy-1-ol). Z tego samego powodu w naszej analizie metali wykryto ponad 20 metali, ale w tym badaniu skupiliśmy się na niklu (Ni), manganie (Mn), cynku (Zn), chromie (Cr) i ołowiu (Pb).
2.3. Szacowanie zdeponowanych dawek substancji ENDS
Aby oszacować ryzyko zdrowotne związane z wdychaniem substancji ENDS do płuc waperów, obliczono średnią dawkę dzienną (ADD) i średnią dawkę dzienną w ciągu całego życia (LADD). ADD i LADD obliczono na podstawie następujących konwencjonalnych równań:𝐴𝐷𝐷=𝐶×𝐶𝑅×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐴𝑇���=�×��×����×��
(1)
𝐿𝐴𝐷𝐷=𝐶×𝐶𝑅×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐿𝐸����=�×��×����×��
(2)
gdzie 𝐶� to stężenie narażenia (ng/m3), 𝐶𝑅�� to współczynnik kontaktu (m3/dzień), 𝐶𝑇�� to czas kontaktu, który dla populacji waperów z najwyższej półki przyjmuje się na 30 lat (10 950 dni), 𝐵𝑊�� to masa ciała (70 kg), 𝐴𝑇�� to średni czas , co równa się 𝐶𝑇�� (10 950 dni), a 𝐿𝐸�� to oczekiwana długość życia, która wynosi 70 lat (25 550 dni) zgodnie z założeniami domyślnych ekspozycji USEPA. W przypadku waporyzacji określenie 𝐶×𝐶𝑅�×�� oznacza dzienne spożycie substancji ENDS (ng/dzień), a dzienne spożycie substancji poprzez waporyzację powinno pochodzić od całkowitej liczby zaciągnięć w jednym dzień. Z literatury wynika, że średnie dzienne zaciągnięcia się vapera wynoszą około 163 zaciągnięcia/dzień [30]. Dlatego też, w oparciu o projekt eksperymentu i wyniki tego badania, równania (1) i (2) można następnie zmodyfikować dla ustawień wapowania w następujący sposób:𝐴𝐷𝐷𝑗=∑𝑖𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗=0.1𝑀𝑖,𝑗×𝐶𝑅𝑝×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐴𝑇����=∑�����,�=0.1��,�×���×����×��
(3)
𝐿𝐴𝐷𝐷𝑗=∑𝑖𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗=0.1𝑀𝑖,𝑗×𝐶𝑅𝑝×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐿𝐸�����=∑������,�=0.1��,�×���×����×��
(4)
gdzie 𝑀𝑖,𝑗��,� jest masą określonej substancji ENDS j (organicznej substancji chemicznej lub metalu) w aerozolu ENDS znalezionej w I etapie MOUDI (i {{0}} do 11) z GC Analizy /MS i ICP/MS. Ponieważ 𝑀𝑖,𝑗��,� opiera się na 10 zaciągnięciach, 0,1𝑀𝑖,𝑗��,� jest równe masie substancji ENDS w jednym zaciągnięciu. 𝐶𝑅𝑝��� to współczynnik kontaktu aerozolu ENDS w jednostce zaciągnięcia/dzień. W oparciu o literaturę, 𝐶𝑅𝑝��� ustalono na 163 zaciągnięcia/dzień [30]. Na tej podstawie 𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗����,� odzwierciedla średnią dzienną dawkę określonej substancji j zawartej w aerozolu ENDS w zakresie wielkości i (etap i MOUDI); 𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗�����,� to średnia dzienna dawka w ciągu całego życia określonej substancji j zawartej w aerozolu ENDS w zakresie wielkości tj. Sumowanie w równaniach (3) i (4) wskazuje, że dawka określonej substancji ENDS w płucach aktywnego vapera jest obliczana poprzez agregację dawek ze wszystkich 11 poszczególnych etapów MOUDI (∑𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗∑����,� i ∑𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗∑�����,�). Równania (3) i (4) można dalej modyfikować, biorąc pod uwagę ważny czynnik frakcji depozycji aerozolu w drogach oddechowych w celu oszacowania dawki zdeponowanej w płucach vapera (tj. dawki wnoszone przez aerozol ENDS, który faktycznie osadza się w drogach oddechowych) w następujący sposób:𝐴𝐷𝐷′𝑗=∑𝑖𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗×𝐷𝐹𝑖���′�=∑�����,�×���
(5)
𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗=∑𝑖𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗×𝐷𝐹𝑖����′�=∑������,�×���
(6)
gdzie 𝐷𝐹𝑖��� to średnia frakcja osadzania się w drogach oddechowych (od {{0}}.0 do 1,0) dla zbieralnej wielkości aerozolu etapu i. MOUDI. Ludzki układ oddechowy wykorzystany w tym badaniu obejmuje tchawiczo-oskrzelowe drogi oddechowe aż do obszaru pęcherzykowego, a odpowiednie opublikowane dane dotyczące frakcji depozycji w drogach oddechowych w aerozolu przyjęto do uzyskania średnich frakcji depozycji (patrz Załącznik A, Tabela A1, aby uzyskać szacunkowe informacje na temat 𝐷𝐹𝑖���) [ 23]. W ten sposób 𝐴𝐷𝐷′𝑗���′� i 𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗����′�′� uwzględniają realistyczne, zależne od wielkości ułamki masowe substancji w aerozolu ENDS, jak również frakcję wdychanego aerozolu ENDS, która rzeczywiście przyczynia się do do zdeponowanej dawki.2.4. Szacowanie ryzyka raka i ryzyka nienowotworowego
Oszacowany 𝐴𝐷𝐷′𝑗���′� z równania (5) wykorzystano następnie do obliczenia współczynnika ryzyka (HQ) w celu oceny nienowotworowego ryzyka zdrowotnego wywoływanego przez substancję j w jednorazowym produkcie ENDS (organicznym chemikaliach lub metalu). następująco:𝐻𝑄𝑗=𝐴𝐷𝐷′𝑗𝑅𝑓𝐷𝑗 {<1 No adverse health effect is expected>1 Potencjalny jest niekorzystny wpływ na zdrowie ���=���′����� {<1 No adverse health effect is expected>1 Potencjalny jest szkodliwy wpływ na zdrowie
(7)
gdzie 𝑅𝑓𝐷𝑗���� oznacza dawkę referencyjną (RfD) opublikowaną dla substancji ENDS j. Należy zauważyć, że w przypadku, gdy dla konkretnej substancji dostępne było tylko stężenie referencyjne (RfC), RfC zostało przeliczone na RfD przy rozsądnej szybkości wdychania wynoszącej 20 m3/dzień i domyślną masę ciała 70 kg (tj. RfD=RfC × 20/70) [18]. Ponadto do substancji, które wywołują podobne, nienowotworowe skutki zdrowotne w tym samym docelowym narządzie/układzie (np. układzie oddechowym), zastosowano wskaźnik zagrożenia (HI). Dlatego HI jest sumą wszystkich powiązanych 𝐻𝑄𝑗��� (𝐻𝐼=∑𝐻𝑄𝑗��=∑���). Gdy HQ lub HI przekracza 1,0, oznacza to, że u użytkowników jednorazowych ENDS możliwe są niekorzystne, nienowotworowe skutki zdrowotne. nowotwory związane ze stosowaniem jednorazowych produktów ENDS w następujący sposób:𝐶𝑎𝑛𝑐𝑒𝑟 𝑅𝑖𝑠𝑘𝑗=𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗×𝐶𝑆𝐹𝑗 {<10−6 Acceptable cancer risk >10-6 Niedopuszczalne ryzyko raka������ �����=����′�×���� {<10−6 Acceptable cancer risk >10-6 Niedopuszczalne ryzyko raka
(8)
gdzie 𝐶𝑆𝐹𝑗���� jest opublikowanym współczynnikiem nachylenia nowotworu (tj. siłą działania nowotworu) określonej substancji ENDS j (organicznej substancji chemicznej lub metalu). W przypadku oceny ryzyka raka szacowane ryzyko raka przekracza 10−6(jeden na milion) wskazuje na niedopuszczalne ryzyko raka u użytkowników jednorazowych ENDS. Wartości RfD, RfC i CSF w równaniach (7) i (8) dla oceny ryzyka raka i chorób nienowotworowych zostały zebrane z oficjalnych stron internetowych amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska i CalEPA [31,32,33,34].3. Wyniki
3.1. Wykryte substancje w aerozolu ENDS
Tabela 1 i Tabela 2 przedstawiają (wybrane) organiczne substancje chemiczne i metale wykryte w aerozolu wytwarzanym przez dwa jednorazowe produkty ENDS, odpowiednio Puff Bar (winogronowy) i Air Bar (arbuzowy lód). Wyniki ilościowe wyrażono jako masę substancji wykrytej na filtrze (ng), która była średnią z trzech próbek filtracyjnych tego samego etapu MOUDI. W przypadku związków organicznych, jak wynika z naszej analizy chemicznej, zarówno baton Puff (winogronowy), jak i baton powietrzny (lód arbuzowy) zawierają nikotynę, glikol propylenowy (PG), glicerol (VG), kwas benzoesowy, cytrynian trietylu, etylomaltol i {{2 }}hexen-1-ol. Wiadomo, że PG i VG są rozpuszczalnikami nośnikowymi powszechnie stosowanymi w e-liquidach produktów ENDS. Ponadto Puff Bar zawiera również antranilan metylu, -terpineol i perillartine, podczas gdy Air Bar zawiera również alkohol benzylowy, wanilinę, melonal, dihydrojasmonian metylu i -dekalakton. Jako środki aromatyzujące dodaje się organiczne substancje chemiczne, takie jak wanilina, melonal, etylomaltol i alkohol benzylowy [35]. Do analizy metali w Tabeli 1 i Tabeli 2 wymieniliśmy wyłącznie metale, które mają udokumentowany związek z niekorzystnymi skutkami zdrowotnymi. Metale wykryte na filtrach obejmują chrom, nikiel, mangan, ołów, aluminium i cynk, z których wszystkie zostały udokumentowane negatywnie oddziaływać na układ oddechowy (a nawet na raka płuc) i centralny układ nerwowy [18]. W Tabelach 1 i 2 przedstawiono także rozkład mas aerozoli ENDS zebranych przez MOUDI na podstawie zakresów wielkości aerozoli możliwych do zebrania. Ogólnie masa organicznych substancji chemicznych miała rozkład normalny i osiągnęła szczyt w okolicach etapu 6 (wielkość aerozolu zbieralnego 1,8 Większa lub równa d Większa lub równa 1,0 µm), która jest proporcjonalna do rozkładu masy ( równy rozkładowi wielkości cząstek) aerozolu ENDS. Nie zaobserwowaliśmy jednak, że metale mają taki rozkład. Dzięki powyższym danym dotyczącym składników substancji zależnych od wielkości można następnie oszacować dawkę konkretnej substancji powiązanej z ENDS (organicznej substancji chemicznej lub metalu) osadzonej w płucach wapera, a także związane z nią ryzyko dla zdrowia.
Tabela 1.Substancje wykryte w posegregowanych pod względem wielkości próbkach aerozolu ENDS generowanych przez Air Bar (lód arbuzowy).
Tabela 2.Substancje wykryte w posegregowanych pod względem wielkości próbkach aerozolu ENDS generowanych przez Puff Bar (winogrono).
3.2. Szacunkowe dawki substancji ENDS zdeponowane w drogach oddechowych
Tabela 3 i Tabela 4 przedstawiają szacunkowe ADD i LADD dla organicznych substancji chemicznych i metali wymienionych w Tabeli 1 i Tabeli 2. Oszacowane ADD i LADD obliczono na podstawie równań (1)–(6), biorąc pod uwagę realistyczne parametry użytkowania ENDS , skład substancji zależny od wielkości aerozolu i konwencjonalne frakcje osadzania się aerozolu w drogach oddechowych. ADD i LADD mierzą deponowaną w drogach oddechowych dawkę danej substancji ENDS. Jak pokazano w tabeli 3 i tabeli 4, osadzone dawki odpowiadające nikotynie, glikolowi propylenowemu, glicerynie i kwasowi benzoesowemu były stosunkowo wyższe niż dawki innych organicznych substancji chemicznych. Wśród metali cynk, aluminium, nikiel i chrom miały zwykle stosunkowo wyższe dawki osadzania. Ogólnie rzecz biorąc, Air Bar (lód arbuzowy) powodował wyższe osadzone dawki zarówno organicznych substancji chemicznych, jak i metali w porównaniu do Puff Bar (winogronowy). W szczególności aerozol ENDS wytwarzany z Air Bar (Watermelon Ice) zawierał wyższe szacunkowe dawki nikotyny, glikolu propylenowego, gliceryny, chromu, niklu, manganu, ołowiu, aluminium i cynku w porównaniu do aerozolu Puff Bar (Grape).
Tabela 3.Szacunkowe dawki odkładane w płucach oraz ryzyko raka i nienowotworowe aerozolu ENDS generowanego przez Air Bar-Watermelon Ice.
Tabela 4.Szacowane dawki odkładane w płucach oraz ryzyko raka i nienowotworowego aerozolu ENDS generowanego przez Puff Bar-Grape.
3.3. Szacowane ryzyko nowotworu i ryzyka nienowotworowego substancji ENDS
Ryzyko raka i ryzyka nienowotworowego dla wybranych metali występujących w aerozolu ENDS oszacowano na podstawie odpowiednich ADD i LADD, a wyniki przedstawiono w Tabeli 3 i Tabeli 4. Tabele te przedstawiają również wartości CSF opublikowane przez USA EPA i CalEPA i zostały zastosowane w naszej ocenie ryzyka nowotworu [32]. Wśród metali znajdujących się w aerozolu wytwarzanym przez Air Bar (lód arbuzowy) szacowane ryzyko raka i niklu w przypadku chromu i niklu wynosi 1,0 × 10−3i 1,5 × 10−6, które uznaje się za znacznie wyższe od akceptowalnego ryzyka wynoszącego 10−6. W przypadku metali w aerozolu wytwarzanym przez Puff Bar (winogronowy) szacowane ryzyko raka układu oddechowego odpowiadające chromowi wyniosło 3,9 × 10−4, które również przekracza konwencjonalne akceptowalne ryzyko. Do oszacowania ryzyka nienowotworowego (mierzonego za pomocą HQ) wykorzystano RfD (lub RfC) odpowiadające metalom opublikowanym przez US EPA i CalEPA (wymienione w Tabeli 3 i Tabeli 4) [31,33,34]. Wyniki oceny ryzyka nienowotworowego pokazują, że wartości HQ dla wszystkich metali w Tabeli 3 i Tabeli 4 były mniejsze niż 1.{{10}}, co wskazuje, że żaden z metali sam w sobie nie miałby wywierać znaczący wpływ na układ oddechowy lub OUN. Jednakże podsumowując nienowotworowe zagrożenia dla zdrowia związane z tym samym narządem docelowym, stwierdzono, że chrom i nikiel w aerozolu wytwarzanym przez Air Bar (lód arbuzowy) stwarzają ryzyko dla układu oddechowego wynoszące HI=1.14, co jest powyżej dopuszczalnego poziomu 1,0, co wskazuje na potencjalne ryzyko wystąpienia niepożądanych skutków dla układu oddechowego (nienowotworowego) wśród osób regularnie stosujących Air Bar (Arbuzowy lód). Podobnych niekorzystnych skutków nie stwierdzono jednak w aerozolu wytwarzanym przez Puff Bar (winogronowy).
4. Dyskusja
Wyniki uzyskane w tym badaniu eksperymentalnym wypełniły luki w literaturze, zapewniając dokładniejsze oszacowanie dawki zdeponowanej w drogach oddechowych i związanych z nią zagrożeń dla zdrowia związanych z nowotworami i nienowotworami, związanych ze stosowaniem jednorazowych ENDS. Pozyskując dane o składnikach chemicznych posegregowanych pod względem wielkości z aerozolu ENDS i biorąc pod uwagę zależną od wielkości aerozolu frakcję osadzania się w drogach oddechowych, można dokładnie ocenić ryzyko dla zdrowia związane z jednorazowymi produktami ENDS. Główną zaletą tego podejścia jest to, że uwzględnia ono ilość substancji ENDS, które faktycznie osadzają się w drogach oddechowych człowieka.
Wyniki naszej analizy chemicznej potwierdziły, że aerozol do e-papierosów zawiera szkodliwe organiczne substancje chemiczne i metale (np. alkohol benzylowy, dekalakton, chrom, nikiel), które, jak udokumentowano, powodują problemy z oddychaniem, a nawet raka płuc. W aerozolu ENDS odkryliśmy także obecność manganu i ołowiu, który ma negatywny wpływ na ludzki OUN. Spośród wykrytych metali stwierdziliśmy, że szacowane ryzyko raka dróg oddechowych w przypadku chromu zawartego w obu jednorazowych produktach ENDS znacznie przekraczało akceptowalne ryzyko. Ryzyko raka układu oddechowego odpowiadające niklowi w aerozolu z Air Bar (lód arbuzowy) również znacznie przekraczało ryzyko akceptowalne. Co więcej, ani sam chrom, ani nikiel w dwóch jednorazowych produktach END nie wiązał się z niedopuszczalnym ryzykiem dla zdrowia niezwiązanym z nowotworem. Jednak podsumowując indywidualne ryzyko nienowotworowe w przypadku tego samego narządu docelowego, odkryliśmy, że chrom i nikiel w aerozolu ENDS generowanym przez Air Bar (lód arbuzowy) mają addytywny wpływ na układ oddechowy. Wyniki te odzwierciedlają coraz większą liczbę dowodów potwierdzających pogląd, że rakotwórcze i szkodliwe chemikalia rzeczywiście stanowią problem dla zwykłych użytkowników ENDS [18,25,35]. Warto zauważyć, że nasze szacunkowe ryzyko wystąpienia nowotworu i nowotworu było ogólnie niższe niż w badaniu Fowlesa i wsp. [18], prawdopodobnie z powodu różnych typów ENDS i metod uzyskiwania stężeń metali. Nasze szacunki będą jednak prawdopodobnie dokładniejsze, ponieważ opierały się na szacunkowych dawkach substancji chemicznych osadzających się w drogach oddechowych człowieka, a także na składzie substancji ENDS zbadanych eksperymentalnie i znalezionych w aerozolu ENDS.
Unikalnym wkładem tego badania jest to, że w oszacowaniu osadzonych dawek i związanych z nimi zagrożeń dla zdrowia uwzględniono wielkość cząstek aerozolu. Metodę zastosowaną w tym badaniu można następnie zastosować do badania toksyczności aerozolu w przypadku innych produktów ENDS. W szczególności dane dotyczące składników zależnych od wielkości uzyskane z naszej analizy chemicznej dostarczyły przydatnych informacji do prawidłowego oszacowania dawki określonych substancji chemicznych ENDS w rejonie dróg oddechowych człowieka. Na podstawie danych uzyskanych z kolekcji próbek MOUDI z segregacją wielkościową odkryliśmy, że rozkład wielkości cząstek prawie wszystkich organicznych substancji chemicznych jest proporcjonalny do rozkładu masy aerozolu ENDS. Organiczne substancje chemiczne zawarte w aerozolu ENDS były normalnie rozmieszczone i ogólnie osiągały maksimum w okolicach etapu 6 MOUDI (wielkość aerozolu zbieralnego: od 1,0 do 1,8 µm). Biorąc pod uwagę informacje na temat zależnego od wielkości odkładania się aerozolu w drogach oddechowych (podane w Załączniku A, Tabela A1), oznacza to, że 16% najobficiej wdychanego aerozolu ENDS (1,0–1,8 µm) osadzałoby się w płucach wapera w ciągu tchawiczo-oskrzelowe drogi oddechowe i obszar pęcherzykowy.
Oprócz ulepszonej metody eksperymentalnej badanie to ma ważne implikacje polityczne. Badanie to wykazało, że w aerozolu z dwóch jednorazowych ENDS wykryto szkodliwe i potencjalnie szkodliwe związki organiczne i metale, przy czym w przypadku kilku metali ryzyko wystąpienia nowotworu lub stanu nienowotworowego jest zbyt wysokie. Wyniki te podkreślają znaczenie regulacji dotyczących takich szkodliwych i potencjalnie szkodliwych substancji chemicznych. Oprócz weryfikacji wyników poprzednich badań, które wykazały, że elementy grzejne i środki aromatyzujące w e-liquidach produktów ENDS są źródłem niektórych szkodliwych substancji chemicznych [18,25], w naszym badaniu opracowano dalej metodologię pozwalającą na dokładniejsze oszacowanie dawek substancji powiązanych z ENDS które mogłyby lepiej informować o przepisach dotyczących wyrobów tytoniowych, zapewniając dokładniejsze oszacowanie poziomów substancji toksycznych. Co więcej, ponieważ FDA zakazała smakowych produktów ENDS z wyjątkiem jednorazowych ENDS ze względu na wąską definicję wkładu do e-papierosów stosowaną przez FDA [11], ustalenia z naszego badania, które skupiało się szczególnie na jednorazowych ENDS, dostarczyły FDA dodatkowej podstawy naukowej do rozważenia rozszerzenie zakazu smakowego na produkty jednorazowe ENDS. Ponadto, ponieważ firmy ENDS powszechnie reklamują, że ENDS zawiera nikotynę, środki aromatyzujące i roztwory nośników (np. glikol propylenowy), ale bagatelizują istnienie szkodliwych substancji w aerozolu ENDS [36], konieczne są bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące etykietowania produktów i skuteczne kampanie przeciwdziałające .
Badanie to ma ograniczenia, z którymi należy się zapoznać. Po pierwsze, chociaż zbadaliśmy aerozol z dwóch powszechnie przyjętych jednorazowych ENDS, nie reprezentowały one wszystkich produktów ENDS, które różnią się smakiem, modelem i marką. Różne cechy produktu mogą wiązać się z różnymi zagrożeniami dla zdrowia. Na przykład jedno badanie, w którym badano benzaldehyd w aerozolach wytwarzanych przez ENDS, wykazało, że najwyższe poziomy benzaldehydu wykryto w produktach ENDS o smaku wiśniowym [37]. Konieczne są przyszłe badania w celu systematycznego badania toksyczności aerozolu w połączeniu z charakterystyką produktu (np. smakiem, modelem, napięciem zasilania), aby uzyskać informacje na temat dodatkowych działań regulacyjnych dotyczących wyrobów tytoniowych. Po drugie, naszą ocenę zagrożeń dla zdrowia związanych z nowotworami i nienowotworami, związanych ze związkami organicznymi i metalami zawartymi w aerozolu ENDS, oparliśmy na udokumentowanych informacjach o sile działania nowotworu (CSP) i RfD (lub RfC) dostarczonych przez EPA i CalEPA. Jednakże takich informacji nie ustalono w przypadku większości organicznych substancji chemicznych wykrytych w tym badaniu. Tak więc, chociaż dawki dzienne, takie jak ADD i LADD, można oszacować dla wszystkich organicznych substancji chemicznych znajdujących się w aerozolu ENDS, powiązane oceny ryzyka dla zdrowia można przeprowadzić tylko w przypadku niektórych substancji chemicznych. Konieczne są przyszłe badania w celu dalszego zbadania zagrożeń dla zdrowia związanych z innymi chemikaliami, gdy staną się dostępne informacje na temat ich toksyczności (tj. CSP, RfD i RfC). Wreszcie, użycie strzykawki do pobrania aerozolu z produktów ENDS w celu wytworzenia aerozolu ENDS może nie odzwierciedlać rzeczywistej sytuacji wapowania. Jednakże metoda ta jest prostym i użytecznym sposobem wydajnego wytwarzania aerozolu z produktów ENDS. Do przyszłych badań można nabyć dostępne na rynku maszyny do zaciągania e-papierosów, takie jak CSM-eSTEP (CH Technology USA, Inc., Northeastern, New Jersey), aby wygenerować bardziej reprezentatywny i niezawodny aerozol ENDS do powiązanych eksperymentów.
5. Wnioski
Badanie to dostarcza cennych wyników eksperymentalnych dotyczących dawki deponowanej w drogach oddechowych związanej ze stosowaniem jednorazowego produktu ENDS, z uwzględnieniem składników substancji ENDS zależnych od wielkości aerozolu i frakcji osadzania się aerozolu w drogach oddechowych, co pozwoliło na dokładniejsze oszacowanie ryzyka raka i innych nowotworów. Metoda i wnioski z badania mogą wnieść wkład do istniejącej literatury na temat toksyczności aerozolu ENDS i mogą stanowić podstawę do przyszłych badań na dużą skalę, które badają zagrożenia dla zdrowia związane z ENDS. Odkrycia mogą również pomóc w wysiłkach regulacyjnych dotyczących wyrobów tytoniowych, takich jak rozszerzenie federalnego zakazu aromatów na jednorazowe produkty ENDS, wdrożenie bardziej rygorystycznych wymogów dotyczących etykietowania produktów i opracowanie skutecznych kampanii komunikacyjnych mających na celu zwalczanie wpływu tych nowatorskich produktów ENDS na zdrowie publiczne.
Wkład autora
W.-CS, H.-CL i AB zaprojektowali i opracowali koncepcję badania. H.-CL i AB przeszukały literaturę i przedstawiły streszczenia poprzednich badań. Prace laboratoryjne przeprowadził W.-CS. H.-CL przeprowadził ocenę ryzyka dla zdrowia. H.-CL i W.-CS zinterpretowali wyniki. H.-CL i W.-CS napisali manuskrypt. AB krytycznie poprawił rękopis. Wszyscy autorzy przeczytali i zgodzili się na opublikowaną wersję manuskryptu.
Finansowanie
Badanie to otrzymało wsparcie R21ES031795 od Narodowego Instytutu Nauk o Zdrowiu Środowiskowym (NIEHS) dla W.-CS, R01DA049154 od Narodowego Instytutu ds. Narkomanii (NIDA) dla AB i H.-CL oraz wsparcie ze strony Southwest Center for Occupational i Zdrowia Środowiskowego (SWCOEH), Centra Kontroli i Zapobiegania Chorobom (CDC), Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (NIOSH), Centrum Edukacji i Badań (T42OH008421) na Uniwersytecie Teksasu, Centrum Nauki o Zdrowiu w Houston (UTHealth), Szkoła Publiczna Zdrowie.
