Einweg-E-Zigaretten und damit verbundene Gesundheitsrisiken: Eine experimentelle Studie
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Einweg-E-Zigaretten und damit verbundene Gesundheitsrisiken: Eine experimentelle Studie
Abstrakt
Die Verwendung elektronischer Nikotinabgabesysteme (ENDS), einschließlich Einweg-E-Zigaretten, ist weit verbreitet. Bestehende chemische Analysen von ENDS konzentrierten sich eher auf E-Liquids als auf Aerosole und berücksichtigten nicht die Partikelgrößen und die Aerosol-Atemwegsdepositionsfraktionen, die Schlüsselfaktoren für Inhalationsdosen sind. Diese Studie untersuchte die organischen chemischen und metallischen Bestandteile im größengetrennten ENDS-Aerosol und bewertete die deponierten Dosen und Gesundheitsrisiken dieser Substanzen. Aerosolchemische Analysen wurden an zwei beliebten ENDS-Einwegprodukten durchgeführt: Puff Bar (Traube) und Air Bar (Wassermeloneneis). Ein ENDS-Aerosol wurde erzeugt und in einen Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor geleitet, um nach Größe getrennte Aerosolproben zu sammeln, in denen organische Chemikalien und Metalle analysiert wurden. Für jede Chemikalie wurden Tages- und Lebenszeitdosen geschätzt. Basierend auf den hinterlegten Dosen wurden Krebs- und Nichtkrebsrisikobewertungen durchgeführt. Wir haben festgestellt, dass E-Zigaretten-Aerosol bestimmte schädliche organische Chemikalien und Metalle enthält, die nachweislich zu Atemproblemen führen. Das geschätzte Risiko für Atemwegskrebs im Zusammenhang mit Chrom aus beiden ENDS-Produkten und Nickel aus Air Bar (Wassermeloneneis) lag deutlich über dem herkömmlich akzeptablen Risiko. Die Methode, Ergebnisse und Implikationen können zur vorhandenen Literatur zu ENDS-Toxizitätsstudien beitragen und die Tabakregulierung und zukünftige groß angelegte Studien beeinflussen.
Schlüsselwörter:
Einweg-E-Zigaretten; Aerosol-Toxizität; Gesundheitsrisiko; Partikelgrößenverteilung; Ablagerungen in den Atemwegen1. Einführung
Der Gebrauch elektronischer Nikotinabgabesysteme (ENDS), einschließlich der Verwendung von E-Zigaretten, ist bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen weit verbreitet und hat sich zu einem Problem der öffentlichen Gesundheit entwickelt. Laut unserer Sekundäranalyse der Daten der National Health Interview Survey aus dem Jahr 2019 betrug die Prävalenzrate des jemals bzw. aktuellen Konsums von ENDS bei jungen Erwachsenen 32,4 % bzw. 9,4 %, was einem steigenden Trend im letzten Jahrzehnt folgt [1]. Darüber hinaus ergab eine Studie unter Verwendung von Daten aus der National Youth Tobacco Survey 2019, dass 27,5 % der Oberstufenschüler angaben, derzeit E-Zigaretten zu konsumieren; von ihnen gaben 34,2 % an, häufig E-Zigaretten zu konsumieren (d. h. an 20 oder mehr Tagen in den letzten 30 Tagen konsumiert zu haben) [2]. ENDS-Produkte sind aufgrund ihrer anpassbaren und neuartigen Eigenschaften [3,4,5], ihres geringeren wahrgenommenen Risikos [6,7] und ihrer höheren sozialen Akzeptanz als brennbare Zigaretten [8] besonders für Jugendliche und junge Erwachsene attraktiv.
ENDS-Produkte sind vielfältig und haben sich rasant weiterentwickelt, von zigarettenähnlichen Einwegprodukten (erste Generation) über Kartuschensysteme (zweite Generation), Tanksysteme (dritte Generation) bis hin zu Nikotinsalzgeräten wie JUUL (vierte Generation). In jüngster Zeit wurde die Beliebtheit von JUUL von JUUL-ähnlichen Einweg-E-Zigarettengeräten (im Folgenden „Einweg-ENDS“) aufgrund ihrer Geschmacksoptionen, auffälligen Designs und Verpackungen, niedrigen Preise und Bequemlichkeit (d. h. All-in-One) eingeholt. in-one, in sich geschlossen, kein Einfüllen von E-Liquid und kein Aufladen des Akkus) [2,9]. Die Tabakindustrie hat bemerkenswerten Einfallsreichtum bei der Bereitstellung neuer/modifizierter Produkte unter Einhaltung der Vorschriften bewiesen [10]. Beispielsweise unterliegen Einweg-ENDS-Produkte zum Zeitpunkt der Durchführung dieser Studie Anfang 2022 aufgrund der engen Definition einer Kartusche durch die FDA nicht den Beschränkungen der Bundesgeschmacksstoffverordnung [11]. Tatsächlich kaufen 85,8 % der aktuellen jugendlichen Benutzer Einweg-ENDS mit Fruchtgeschmack [12].
Studien haben ergeben, dass ENDS-Produkte Aromachemikalien enthalten, von denen einige mit Atemwegsreizungen oder -schäden verbunden sind, wie z. B. δ-Dodecalacton, Menthol, Benzylalkohol und Corylon [13,14,15,16]. Darüber hinaus bestehen die Heizelemente (z. B. Zerstäuber/Spule) und Tanks von ENDS-Geräten aus Metallen, die während des Gebrauchs in E-Liquid und Aerosol freigesetzt werden könnten, wobei Chrom und Nickel die Hauptverursacher des Krebsrisikos sind [17,18]. Bestehende chemische Analysen, die für ENDS-Produkte, einschließlich Einweg-ENDS, durchgeführt wurden, konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf E-Liquids, die nicht unbedingt die Chemikalien im ENDS-Aerosol widerspiegeln, die sich tatsächlich in den Atemwegen von ENDS-Benutzern ablagern [15,19]. Obwohl es eine Handvoll Studien gibt, die ENDS-Aerosol analysiert haben [20,21,22] und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken bewertet [18], haben diese Studien die Partikelgröße des ENDS-Aerosols und die größenbezogenen Atemwege nicht berücksichtigt Ablagerungsfraktionen bei gleichzeitiger Abschätzung der Gesundheitsrisiken. Dies ist ein ernstes Problem, da die Größe der Partikel direkten Einfluss auf den Ablagerungsort in den Atemwegen und den Ablagerungsanteil in den Atemwegen hat. Tatsächlich ist das beim Dampfen erzeugte ENDS-Aerosol eine Mischung aus Flüssigkeitströpfchen, wobei der Durchmesser der Aerosolpartikel von ultrafein (weniger als 0,1 µm) bis zu Mikrometergrößen (bis zu etwa 4 µm) reicht. Es ist daher zu erwarten, dass inhaliertes ENDS-Aerosol in verschiedene Bereiche der Atemwege des Menschen eindringt und sich in unterschiedlichen Dosen ablagert. Wichtig ist, dass erwartet wird, dass sich der Großteil des ENDS-Aerosols in den unteren Atemwegen ablagert, was aufgrund der enormen Atemwegsoberfläche im Alveolarbereich wahrscheinlich negative Auswirkungen auf die Gesundheit haben wird [23]. Die hinterlegte Dosis ist der Vorläufer der inneren Dosis vor der Berücksichtigung der Atemclearance und der Absorptionsrate und kann daher als Dreh- und Angelpunkt für die Bewertung des mit dem Dampfen verbundenen Gesundheitsrisikos dienen. Die ENDS-Aerosolgrößenverteilung und die Fraktionen der Atemdeposition sind die Schlüsselfaktoren für die genaue Schätzung dieses Pivot-Index [23] und sollten daher in die Gesundheitsrisikobewertung einbezogen werden.
Diese Studie füllte die Wissenslücken, indem sie einen verbesserten Ansatz zur Schätzung der in zwei häufig verwendeten ENDS-Einwegprodukten abgelagerten Chemikaliendosen und der damit verbundenen krebsbedingten und nicht krebsbedingten Gesundheitsrisiken verwendete. Der experimentelle Ansatz berücksichtigte die größenabhängigen Aerosol-Atemdepositionsfraktionen und führte eine größengetrennte Analyse der chemischen Bestandteile des ENDS-Aerosols durch. Die Ergebnisse unserer Studie könnten die Genauigkeit der Schätzung der in der Lunge des Dampfers abgelagerten ENDS-Chemikaliendosen verbessern, was wiederum als Grundlage für Tabakvorschriften und zukünftige groß angelegte Studien dienen könnte, in denen Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit der Verwendung von ENDS-Einwegprodukten bewertet werden.
2. Materialien und Methoden
2.1. Größengetrennte ENDS-Aerosolprobenentnahme
In dieser Studie wurden chemische Aerosolanalysen an den folgenden zwei beliebten ENDS-Einwegprodukten durchgeführt: Puff Bar (Traube) und Air Bar (Wassermeloneneis). Die Auswahl dieser beiden ENDS-Einwegprodukte basierte auf der Verbreitung von ENDS-Einwegprodukten aus einer separaten Studie des Forschungsteams, in der das ENDS-Nutzungsverhalten von College-Studenten untersucht wurde. Diese beiden Einweg-ENDS-Produkte wurden von den Studienteilnehmern am häufigsten verwendet.
In dieser Studie wurden größengetrennte ENDS-Aerosolproben mithilfe eines Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor (MOUDI 110-R, MSP Co., Shoreview, MN, USA) gesammelt. Das MOUDI ist in der Lage, Aerosolproben mit Partikeldurchmessern im Bereich von 0,056 bis 18 µm in seinen 11 Sammelstufen zu sammeln (d. h. größengetrennte Probenahme). Es übertrifft herkömmliche direkt ablesbare Aerosolinstrumente wie Partikelzähler und Spektrometer, die frisch erzeugtes E-Zigaretten-Aerosol mit einer extrem hohen Aerosolkonzentration nicht verarbeiten können. Jede MOUDI-Stufe verfügt über einen sammelbaren Partikelgrößenbereich, und auf der Grundlage dieses Partikelgrößenbereichs kann eine durchschnittliche Lungenablagerungsfraktion berechnet werden (siehe Anhang A, Tabelle A1). Von MOUDI in verschiedenen Phasen gesammelte ENDS-Aerosolproben wurden für Berechnungen der Partikelgrößenverteilung und Analysen der chemischen Zusammensetzung verwendet.
Um Einweg-ENDS-Aerosolproben zu sammeln, wurden Membranfilter aus Polytetrafluorethylen (PTFE) (PALL Co., Port Washington, NY, USA) auf jeder MOUDI-Stufe platziert und das MOUDI wurde mit einer Probenflussrate von 30 l/min betrieben. Mit einer 100-ml-Spritze wurde ENDS-Aerosol aus den beiden ENDS-Einwegprodukten entnommen und das ENDS-Aerosol dann zur Probenentnahme direkt in MOUDI gepumpt. Dieses Verfahren wurde zehnmal (10 Züge) wiederholt, um auf jeder MOUDI-Stufe eine ausreichende Menge ENDS-Aerosol für die anschließende Gewichts- und Substanzanalyse anzusammeln. Nach dem Probensammelexperiment wurden PTFE-Filter mit gesammelten ENDS-Aerosolproben aus dem MOUDI entladen, einzeln mit einer Mikrowaage gewogen und dann zur organischen chemischen Analyse und Metallanalyse an Labore geschickt, um größenabhängige chemische Bestandteile im ENDS-Aerosol zu identifizieren. Die Probenentnahme wurde für jedes ENDS-Produkt dreimal durchgeführt, um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Daten sicherzustellen. Die Partikelgrößenverteilung des ENDS-Aerosols und die größenabhängigen Daten der chemischen Bestandteile spielen eine Schlüsselrolle bei der Schätzung der deponierten Dosis einer bestimmten ENDS-Chemikalie in der Lunge des Dampfers.
2.2. Organische chemische und Metallanalyse
Die organisch-chemische Analyse des ENDS-Aerosols wurde mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC/MS) durchgeführt, um die Masse organischer Chemikalien wie Nikotin, PG, VG und Aromastoffe auf MOUDI-Filtern zu erfassen und größenabhängige Informationen zu erhalten. Insbesondere wurden die beiden Einweg-ENDS zerlegt, um die mit E-Liquid getränkten Dampfdochte zu finden. Die wichtigsten chemischen Bestandteile des E-Liquids wurden zunächst mit Acetonitril extrahiert und per GC/MS analysiert. Anschließend wurden die ENDS-Aerosolproben auf MOUDI-Filtern auf die gleiche Weise extrahiert und für die GC/MS-Analyse konzentriert. Die chemische GC/MS-Analyse war mit einer Elektronenionisations-Ionenquelle (GC/EI-MS, Agilent 6890N GC und 5975 inert XL MSD) ausgestattet und alle Chemikalien wurden unter Verwendung authentischer oder Ersatzstandards quantifiziert. Detaillierte Verfahren zur organischen Analyse werden an anderer Stelle beschrieben [23]. Bei der organisch-chemischen Analyse wurde die Wiederfindung der Zielanalyten bestimmt, indem eine bekannte Menge an Chemikalien auf leere Filter (n=3) gegeben und mit den gleichen Verfahren wie beim Sammeln von Aerosolproben extrahiert wurde. Die Metallanalyse wurde mithilfe der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP/MS) durchgeführt, um die Masse gefährlicher Metalle wie Nickel, Chrom und Blei auf verschiedenen MOUDI-Filtern zu erfassen und so größenabhängige Informationen zu erhalten. Die MOUDI-Filter wurden zunächst für die Säurelaugung und den Aufschluss unter Verwendung von hochreinem doppelt destilliertem HNO verarbeitet3und HF, und dann wurden die aufgeschlossenen Probenlösungen bis zur beginnenden Trockne eingedampft. Für die ICP/MS-Analyse wurde ein zuvor etabliertes Protokoll mit dem ICP/MS Triple Quad (Modell 8800, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) befolgt [24]. Auf diese Weise können Metallelemente bis in den Sub-ppb-Bereich (ng/g) mit einer Genauigkeit von ±5 % erfasst werden.
Der Schwerpunkt der Laboranalyse in dieser Studie liegt auf den schädlichen organischen Chemikalien und Metallen, die zuvor im ENDS-Aerosol identifiziert und in der Literatur veröffentlicht wurden [14,18,25,26,27,28,29]. Daher konzentrierte sich das Design unserer organischen chemischen Analyse auf Nikotin, Trägerlösungsmittel (z. B. Glycerin, Propylenglykol, Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrolein, Aceton, Methylglyoxal, Benzoesäure und Triethylcitrat) sowie Aromastoffe und andere Chemikalien ( z. B. Ethylvanillin, Vanillin, Zimtaldehyd, Menthol, Acetoin, Citral, Benzylalkohol, Benzaldehyd, Diacetyl, Ethylacetat, Ethylmaltol, Triacetin, Methylanthranilat, Methyldihydrojasmonat, Melonal, Corylon, δ-Dodecalacton, -Terpineol, -Decalacton und 3-hexen-1-ol). Ebenso wurden in unserer Metallanalyse mehr als 20 Metalle nachgewiesen, der Schwerpunkt dieser Studie lag jedoch auf Nickel (Ni), Mangan (Mn), Zink (Zn), Chrom (Cr) und Blei (Pb).
2.3. Abschätzung der deponierten Dosen von ENDS-Stoffen
Um die Gesundheitsrisiken abzuschätzen, die mit der Inhalation von ENDS-Substanzen in der Lunge von Dampfern einhergehen, wurden die durchschnittliche Tagesdosis (ADD) und die durchschnittliche Lebenszeitdosis (LADD) berechnet. ADD und LADD wurden basierend auf den folgenden herkömmlichen Gleichungen berechnet:𝐴𝐷𝐷=𝐶×𝐶𝑅×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐴𝑇���=�×��×����×��
(1)
𝐿𝐴𝐷𝐷=𝐶×𝐶𝑅×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐿𝐸����=�×��×����×��
(2)
wobei 𝐶� die Expositionskonzentration (ng/m²) ist3), 𝐶𝑅�� ist die Kontaktrate (m3/Tag), 𝐶𝑇�� ist die Kontaktzeit, die für die High-End-Dampfpopulation mit 30 Jahren (10.950 Tagen) angenommen wird, 𝐵𝑊�� ist das Körpergewicht (70 kg), 𝐴𝑇�� ist die durchschnittliche Zeit , was 𝐶𝑇�� (10.950 Tage) entspricht, und 𝐿𝐸�� ist die Lebenserwartung, die gemäß den USEPA-Standardrisikoannahmen 70 Jahre (25.550 Tage) beträgt. Im Falle des Dampfens entspricht der Begriff 𝐶×𝐶𝑅�×�� der täglichen Aufnahme der ENDS-Substanz (ng/Tag), und die tägliche Aufnahme der Substanz durch das Dampfen sollte sich aus den gesamten Dampfzügen in einem Zug ergeben Tag. Basierend auf der Literatur liegen die berichteten durchschnittlichen täglichen Züge eines Dampfers bei etwa 163 Zügen/Tag [30]. Basierend auf dem experimentellen Design und den Ergebnissen dieser Studie können die Gleichungen (1) und (2) dann für die Dampfeinstellung wie folgt geändert werden:𝐴𝐷𝐷𝑗=∑𝑖𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗=0.1𝑀𝑖,𝑗×𝐶𝑅𝑝×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐴𝑇����=∑�����,�=0.1��,�×���×����×��
(3)
𝐿𝐴𝐷𝐷𝑗=∑𝑖𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗=0.1𝑀𝑖,𝑗×𝐶𝑅𝑝×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐿𝐸�����=∑������,�=0.1��,�×���×����×��
(4)
wobei 𝑀𝑖,𝑗��,� die Masse einer bestimmten ENDS-Substanz j (organische Chemikalie oder Metall) im ENDS-Aerosol ist, das auf der MOUDI-Stufe I (i {{0}} bis 11) vom GC gefunden wird /MS- und ICP/MS-Analysen. Da 𝑀𝑖,𝑗��,� auf 10 Zügen basiert, entspricht 0,1𝑀𝑖,𝑗��,� der Masse der ENDS-Substanz in einem Zug. 𝐶𝑅𝑝���� ist die ENDS-Aerosolkontaktrate in der Einheit Puff/Tag. Basierend auf der Literatur wurde 𝐶𝑅𝑝��� auf 163 Züge/Tag festgelegt [30]. Auf dieser Grundlage spiegelt 𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗����,� die durchschnittliche Tagesdosis einer bestimmten Substanz j wider, die im ENDS-Aerosol innerhalb eines Größenbereichs i (MOUDI-Stufe i) enthalten ist; 𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗�����,� ist die lebenslange durchschnittliche Tagesdosis einer bestimmten Substanz j, die im ENDS-Aerosol innerhalb eines Größenbereichs i enthalten ist. Die Summe in den Gleichungen (3) und (4) zeigt, dass die Dosis einer bestimmten ENDS-Substanz in der Lunge eines aktiven Dampfers durch Aggregation der Dosen aller 11 einzelnen MOUDI-Stufen (∑𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗∑����,� und) berechnet wird ∑𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗∑�����,�). Die Gleichungen (3) und (4) können weiter modifiziert werden, indem der wichtige Faktor der Aerosol-Atemdepositionsfraktionen berücksichtigt wird, um die in der Lunge des Dampfers deponierte Dosis (d. h. die Dosis) abzuschätzen Beitrag von ENDS-Aerosol, das sich tatsächlich in den Atemwegen ablagert) wie folgt:𝐴𝐷𝐷′𝑗=∑𝑖𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗×𝐷𝐹𝑖���′�=∑�����,�×���
(5)
𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗=∑𝑖𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗×𝐷𝐹𝑖����′�=∑������,�×���
(6)
wobei 𝐷𝐹𝑖��� der mittlere respiratorische Depositionsanteil (von {{0}}.0 bis 1,0) für die sammelbare Aerosolgröße der MOUDI-Stufe i ist. Das in dieser Studie verwendete menschliche Atmungssystem deckt die tracheobronchialen Atemwege bis zum Alveolarbereich ab, und die entsprechenden veröffentlichten Daten der Aerosol-Atemwegs-Depositionsfraktionen wurden zur Ermittlung der mittleren Depositionsfraktionen übernommen (siehe Anhang A, Tabelle A1 für die geschätzte 𝐷𝐹𝑖���) [ 23]. Auf diese Weise berücksichtigen 𝐴𝐷𝐷′𝑗���′� und 𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗����′� die realistischen größenabhängigen Massenanteile der Substanz im ENDS-Aerosol sowie den Anteil des inhalierten ENDS-Aerosols, der tatsächlich dazu beiträgt zur hinterlegten Dosis.2.4. Abschätzung von Krebs- und Nichtkrebsrisiken
Der geschätzte 𝐴𝐷𝐷′𝑗���′� aus Gleichung (5) wurde dann zur Berechnung des Gefährdungsquotienten (HQ) zur Bewertung des nicht krebserregenden Gesundheitsrisikos verwendet, das durch die Substanz j in einem ENDS-Einwegprodukt (organische Chemikalie oder Metall) verursacht wird. wie folgt:𝐻𝑄𝑗=𝐴𝐷𝐷′𝑗𝑅𝑓𝐷𝑗 {<1 No adverse health effect is expected>1 Gesundheitsschädliche Auswirkungen sind möglich ����=���′���� {<1 No adverse health effect is expected>1 Gesundheitsschädliche Auswirkungen sind möglich
(7)
wobei 𝑅𝑓𝐷𝑗���� die Referenzdosis (RfD) ist, die für den ENDS-Stoff j veröffentlicht wurde. Beachten Sie, dass für den Fall, dass für einen bestimmten Stoff nur die Referenzkonzentration (RfC) verfügbar war, der RfC mit einer angemessenen Inhalationsrate von 20 m in RfD umgerechnet wurde3/Tag und ein Standardkörpergewicht von 70 kg (d. h. RfD=RfC × 20/70) [18]. Darüber hinaus wurde der Gefährdungsindex (HI) auf die Substanzen angewendet, die ähnliche, nicht krebserregende Gesundheitseffekte auf dasselbe Zielorgan/-system (z. B. Atmungssystem) hervorrufen. Daher ist der HI die Summe aller verwandten 𝐻𝑄𝑗��� (𝐻𝐼=∑𝐻𝑄𝑗��=∑����). Wenn der HQ oder HI 1,0 übersteigt, weist dies darauf hin, dass für Benutzer von Einweg-ENDS möglicherweise schädliche, nicht krebsbedingte Auswirkungen auf die Gesundheit bestehen. Der in Gleichung (6) berechnete Wert wurde zur Bewertung des Atemwegsrisikos verwendet Krebserkrankungen im Zusammenhang mit der Verwendung von ENDS-Einwegprodukten wie folgt:𝐶𝑎𝑛𝑐𝑒𝑟 𝑅𝑖𝑠𝑘𝑗=𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗×𝐶𝑆𝐹𝑗 {<10−6 Acceptable cancer risk >10−6 Inakzeptables Krebsrisiko������ �����=����′�×���� {<10−6 Acceptable cancer risk >10−6 Inakzeptables Krebsrisiko
(8)
wobei 𝐶𝑆𝐹𝑗���� der veröffentlichte Krebsneigungsfaktor (d. h. die Krebspotenz) einer bestimmten ENDS-Substanz j (organische Chemikalie oder Metall) ist. Für die Beurteilung des Krebsrisikos gilt das geschätzte Krebsrisiko, das 10 übersteigt−6(eins zu einer Million) weist auf ein inakzeptables Krebsrisiko für Benutzer von Einweg-ENDS hin. Die Werte von RfD, RfC und CSF in den Gleichungen (7) und (8) für Krebs- und Nicht-Krebsrisikobewertungen wurden von den offiziellen Websites der US-amerikanischen EPA und CalEPA zusammengestellt [31,32,33,34].3. Ergebnisse
3.1. Erkannte Substanzen im ENDS-Aerosol
Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen die (ausgewählten) organischen Chemikalien und Metalle, die im Aerosol der beiden ENDS-Einwegprodukte Puff Bar (Grape) und Air Bar (Watermelon Ice) nachgewiesen wurden. Die quantifizierten Ergebnisse werden als Masse der auf dem Filter nachgewiesenen Substanz (ng) ausgedrückt, die dem Durchschnitt von dreifachen Filterproben derselben MOUDI-Stufe entspricht. Basierend auf unserer chemischen Analyse enthalten sowohl Puff Bar (Traube) als auch Air Bar (Wassermeloneneis) für organische Verbindungen Nikotin, Propylenglykol (PG), Glycerin (VG), Benzoesäure, Triethylcitrat, Ethylmaltol und {{2 }}hexen-1-ol. Es ist bekannt, dass PG und VG häufig in E-Liquids von ENDS-Produkten verwendete Trägerlösungsmittel sind. Darüber hinaus enthält Puff Bar auch Methylanthranilat, Terpineol und Perillartin, während Air Bar außerdem Benzylalkohol, Vanillin, Melonal, Methyldihydrojasmonat und Decalacton enthält. Als Aromastoffe werden organische Chemikalien wie Vanillin, Melonal, Ethylmaltol und Benzylalkohol zugesetzt [35]. Für die Metallanalyse haben wir in Tabelle 1 und Tabelle 2 nur Metalle aufgeführt, die nachweislich gesundheitsschädliche Auswirkungen haben. Zu den auf Filtern erkannten Metallen gehören Chrom, Nickel, Mangan, Blei, Aluminium und Zink, die alle dokumentiert wurden negative Auswirkungen auf das Atmungssystem (und sogar Lungenkrebs) und das Zentralnervensystem haben [18]. Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen auch die Massenverteilung des von MOUDI gesammelten ENDS-Aerosols basierend auf den Größenbereichen der sammelbaren Aerosole. Insgesamt war die Masse der organischen Chemikalien normalverteilt und erreichte ihren Höhepunkt um Stufe 6 (sammelbare Aerosolgröße von 1,8 größer oder gleich d größer oder gleich 1,0 µm), was proportional zur Massenverteilung ist ( gleich der Partikelgrößenverteilung) des ENDS-Aerosols. Wir haben jedoch nicht beobachtet, dass die Metalle einer solchen Verteilung folgen. Mit den oben genannten größenabhängigen Stoffbestandteildaten können dann die Dosis einer bestimmten ENDS-bezogenen Substanz (organische Chemikalie oder Metall), die sich in der Lunge des Dampfers ablagert, sowie die damit verbundenen Gesundheitsrisiken abgeschätzt werden.
Tabelle 1.In nach Größe getrennten ENDS-Aerosolproben nachgewiesen, die von Air Bar (Wassermeloneneis) erzeugt wurden.
Tabelle 2.In größengetrennten ENDS-Aerosolproben nachgewiesene Substanzen, die von Puff Bar (Grape) erzeugt wurden.
3.2. Geschätzte respiratorisch deponierte Dosen von ENDS-Substanzen
Tabelle 3 und Tabelle 4 zeigen die geschätzten ADD- und LADD-Werte für die in Tabelle 1 und Tabelle 2 aufgeführten organischen Chemikalien und Metalle. Die geschätzten ADD- und LADD-Werte wurden auf der Grundlage der Gleichungen (1)–(6) unter Berücksichtigung realistischer ENDS-Nutzungsparameter berechnet , die von der Aerosolgröße abhängige Stoffzusammensetzung und die konventionellen Aerosol-Atemdepositionsfraktionen. ADD und LADD messen die respiratorisch deponierte Dosis der interessierenden ENDS-Substanz. Wie in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigt, waren die deponierten Dosen von Nikotin, Propylenglykol, Glycerin und Benzoesäure relativ höher als die anderer organischer Chemikalien. Unter den Metallen wiesen Zink, Aluminium, Nickel und Chrom tendenziell relativ höhere abgeschiedene Dosen auf. Im Allgemeinen führte Air Bar (Wassermeloneneis) im Vergleich zu Puff Bar (Grape) zu höheren abgelagerten Dosen organischer Chemikalien und Metalle. Insbesondere das aus Air Bar (Wassermeloneneis) erzeugte ENDS-Aerosol enthielt geschätzte höhere Dosen an Nikotin, Propylenglykol, Glycerin, Chrom, Nickel, Mangan, Blei, Aluminium und Zink als das aus Puff Bar (Traube).
Tabelle 3.Geschätzte in der Lunge deponierte Dosen sowie Krebs- und Nichtkrebsrisiken des durch Air Bar-Watermelon Ice erzeugten ENDS-Aerosols.
Tabelle 4.Geschätzte in der Lunge deponierte Dosen sowie Krebs- und Nichtkrebsrisiken des von Puff Bar-Grape erzeugten ENDS-Aerosols.
3.3. Geschätztes Krebs- und Nichtkrebsrisiko von ENDS-Substanzen
Die Krebs- und Nichtkrebsrisiken für die ausgewählten Metalle im ENDS-Aerosol wurden auf der Grundlage der entsprechenden ADD- und LADD-Werte geschätzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 dargestellt. Diese Tabellen zeigen auch die von den USA veröffentlichten CSF-Werte EPA und CalEPA wurden in unserer Krebsrisikoabschätzung verwendet [32]. Unter den Metallen, die im von Air Bar (Wassermeloneneis) erzeugten Aerosol gefunden wurden, betrug das geschätzte Krebsrisiko von Chrom und Nickel 1,0 × 10−3und 1,5 × 10−6, die deutlich über dem akzeptablen Risiko von 10 liegen−6. Für die Metalle im von Puff Bar (Grape) erzeugten Aerosol betrug das geschätzte Risiko für Atemwegskrebs entsprechend Chrom 3,9 × 10−4, was ebenfalls über dem konventionell akzeptablen Risiko liegt. Für die nicht krebsbedingte Risikoabschätzung (gemessen durch HQ) wurden die RfD (oder RfC) verwendet, die den von der US-amerikanischen EPA und CalEPA veröffentlichten Metallen entsprechen (aufgelistet in Tabelle 3 und Tabelle 4) [31,33,34]. Die Ergebnisse der nicht krebsbedingten Risikobewertung zeigen, dass die HQ-Werte für alle Metalle in Tabelle 3 und Tabelle 4 alle unter 1,{{10}} lagen, was darauf hindeutet, dass keines der Metalle allein dies tun würde eine erhebliche Auswirkung auf das Atmungssystem oder das ZNS haben. Bei der Zusammenfassung der nicht krebsbedingten Gesundheitsrisiken desselben Zielorgans wurde jedoch festgestellt, dass Chrom und Nickel im von Air Bar (Wassermeloneneis) erzeugten Aerosol ein Atemwegsrisiko von HI=1 darstellten.14, Dies liegt über dem akzeptablen Wert von 1,0, was auf ein potenzielles Risiko für schädliche Auswirkungen auf die Atemwege (kein Krebs) bei Menschen hinweist, die regelmäßig Air Bar (Wassermeloneneis) verwenden. Ähnliche Nebenwirkungen wurden jedoch im von Puff Bar (Grape) erzeugten Aerosol nicht festgestellt.
4. Diskussion
Die aus dieser experimentellen Studie erzielten Ergebnisse füllten die Lücken in der Literatur, indem sie eine genauere Schätzung der respiratorisch deponierten Dosis und der damit verbundenen Krebs- und Nichtkrebs-Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit der Verwendung von Einweg-ENDS lieferten. Durch die Erfassung größengetrennter Daten zu chemischen Bestandteilen aus ENDS-Aerosolen und die Berücksichtigung der von der Aerosolgröße abhängigen Atemdepositionsfraktion können die Gesundheitsrisiken von ENDS-Einwegprodukten genau beurteilt werden. Eine große Stärke dieses Ansatzes besteht darin, dass er die Menge an ENDS-Stoffen berücksichtigt, die sich tatsächlich in den menschlichen Atemwegen ablagern.
Unsere chemischen Analyseergebnisse bestätigten, dass E-Zigaretten-Aerosol schädliche organische Chemikalien und Metalle (z. B. Benzylalkohol, -Decalacton, Chrom, Nickel) enthält, die nachweislich Atemprobleme und sogar Lungenkrebs verursachen. Wir fanden auch Mangan und Blei im ENDS-Aerosol, von denen bekannt ist, dass sie negative Auswirkungen auf das menschliche ZNS haben. Unter den nachgewiesenen Metallen stellten wir fest, dass die geschätzten Risiken für Atemwegskrebs, die Chrom aus beiden ENDS-Einwegprodukten entsprechen, deutlich über dem akzeptablen Risiko lagen. Das Risiko für Atemwegskrebs im Zusammenhang mit Nickel im Aerosol von Air Bar (Watermelon Ice) lag ebenfalls deutlich über dem akzeptablen Risiko. Darüber hinaus waren weder Chrom noch Nickel allein in den beiden ENDs-Einwegprodukten mit inakzeptablen, nicht krebsbedingten Gesundheitsrisiken verbunden. Als wir jedoch ihre individuellen Nichtkrebsrisiken mit demselben Zielorgan zusammenfassten, stellten wir fest, dass Chrom und Nickel im ENDS-Aerosol, das von Air Bar (Wassermeloneneis) erzeugt wird, einen additiven Effekt auf das Atmungssystem haben. Diese Ergebnisse spiegeln die zunehmenden Beweise wider, die die Annahme stützen, dass krebserregende und schädliche Chemikalien tatsächlich ein Problem für regelmäßige ENDS-Benutzer darstellen [18,25,35]. Bemerkenswert ist, dass unsere geschätzten Krebs- und Nichtkrebsrisiken im Allgemeinen niedriger waren als die aus der Studie von Fowles et al. [18], was möglicherweise auf unterschiedliche Arten von ENDS und Methoden zur Ermittlung der Metallkonzentrationen zurückzuführen ist. Unsere Schätzungen sind jedoch wahrscheinlich genauer, da sie auf den geschätzten Dosen der in den menschlichen Atemwegen abgelagerten Chemikalien sowie auf der Zusammensetzung der experimentell analysierten und im ENDS-Aerosol gefundenen ENDS-Substanzen basieren.
Ein einzigartiger Beitrag dieser Studie besteht darin, dass die Abschätzung der deponierten Dosen und der damit verbundenen Gesundheitsrisiken in der Partikelgröße des Aerosols berücksichtigt wurde. Die in dieser Studie verwendete Methode könnte weiter zur Untersuchung der Aerosoltoxizität für andere ENDS-Produkte angewendet werden. Insbesondere lieferten die aus unserer chemischen Analyse gewonnenen größenabhängigen Konstituentendaten nützliche Informationen zur korrekten Schätzung der Dosis spezifischer ENDS-Chemikalien im menschlichen Atemwegsbereich. Basierend auf den Daten aus der größengetrennten Probensammlung von MOUDI haben wir herausgefunden, dass die Partikelgrößenverteilungen fast aller organischen Chemikalien proportional zur ENDS-Aerosolmassenverteilung sind. Die im ENDS-Aerosol enthaltenen organischen Chemikalien waren normal verteilt und erreichten im Allgemeinen ihren Höhepunkt um das MOUDI-Stadium 6 (sammelbare Aerosolgröße: von 1,0 bis 1,8 µm). Angesichts der Informationen zur größenabhängigen Aerosol-Atemdeposition (siehe Anhang A, Tabelle A1) bedeutet dies, dass sich 16 % des am häufigsten inhalierten ENDS-Aerosols (1,0–1,8 µm) in den Lungen des Dampfers ablagern würden die tracheobronchialen Atemwege und die Alveolarregion.
Zusätzlich zur verbesserten experimentellen Methode hat diese Studie wichtige politische Implikationen. Diese Studie ergab, dass im Aerosol der beiden Einweg-ENDS schädliche und potenziell schädliche organische Verbindungen und Metalle nachgewiesen wurden, wobei einige Metalle zu überakzeptablen Krebs- und/oder Nicht-Krebsrisiken führten. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, solche schädlichen und potenziell schädlichen Chemikalien zu regulieren. Zusätzlich zur Überprüfung der Ergebnisse früherer Studien, dass Heizelemente und Aromastoffe in E-Liquids von ENDS-Produkten Quellen einiger schädlicher Chemikalien sind [18,25], entwickelte unsere Studie eine Methodik weiter, um die Dosen ENDS-bezogener Substanzen genauer abzuschätzen Dies könnte die Regulierung von Tabakprodukten besser beeinflussen, indem es eine genauere Schätzung der Schadstoffkonzentrationen ermöglicht. Da die FDA darüber hinaus aromatisierte ENDS-Produkte mit Ausnahme von Einweg-ENDS aufgrund der engen Definition einer E-Zigaretten-Patrone durch die FDA verboten hat [11], lieferten die Ergebnisse unserer Studie, die sich speziell auf Einweg-ENDS konzentrierten, eine zusätzliche wissenschaftliche Grundlage, die die FDA berücksichtigen sollte Ausweitung des Geschmacksverbots auf Einwegprodukte von ENDS. Da ENDS-Unternehmen außerdem häufig damit werben, dass ENDS Nikotin, Aromachemikalien und Trägerlösungen (z. B. Propylenglykol) enthalten, das Vorhandensein schädlicher Substanzen im ENDS-Aerosol jedoch herunterspielen [36], sind strengere Anforderungen an die Produktkennzeichnung und wirksame Gegenkommunikationskampagnen unerlässlich .
Diese Studie weist Einschränkungen auf, die anerkannt werden müssen. Erstens: Obwohl wir das Aerosol von zwei häufig verwendeten ENDS-Einwegprodukten untersucht haben, stellten diese nicht alle ENDS-Produkte dar, die sich je nach Geschmack, Modell und Marke unterscheiden. Unterschiedliche Produkteigenschaften können mit unterschiedlichen Gesundheitsrisiken verbunden sein. Beispielsweise ergab eine Studie, die Benzaldehyd in ENDS-erzeugten Aerosolen untersuchte, dass die höchsten Benzaldehydwerte in ENDS-Produkten mit Kirschgeschmack festgestellt wurden [37]. Zukünftige Studien sind erforderlich, um die Aerosoltoxizität in Verbindung mit Produkteigenschaften (z. B. Geschmack, Modell, Netzspannung) systematisch zu untersuchen und so zusätzliche Maßnahmen zur Tabakregulierung zu ermöglichen. Zweitens basierte unsere Bewertung der krebsbedingten und nicht krebsbedingten Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit organischen Verbindungen und Metallen aus dem ENDS-Aerosol auf dokumentierten Informationen zur Krebspotenz (CSP) und RfD (oder RfC), die von EPA und CalEPA bereitgestellt wurden. Für die meisten in dieser Studie nachgewiesenen organischen Chemikalien liegen jedoch keine entsprechenden Informationen vor. Obwohl Tagesdosen wie ADD und LADD für alle im ENDS-Aerosol vorkommenden organischen Chemikalien geschätzt werden können, können damit verbundene Gesundheitsrisikobewertungen nur für einige Chemikalien durchgeführt werden. Zukünftige Studien sind erforderlich, um die mit anderen Chemikalien verbundenen Gesundheitsrisiken weiter zu untersuchen, sobald deren Toxizitätsinformationen (z. B. CSP, RfD und RfC) verfügbar sind. Schließlich entspricht die Verwendung einer Spritze zum Aufziehen von Aerosol aus den ENDS-Produkten zur Erzeugung von ENDS-Aerosol möglicherweise nicht der tatsächlichen Situation des Dampfens. Diese Methode ist jedoch eine einfache und nützliche Möglichkeit, effizient ein Aerosol aus ENDS-Produkten zu erzeugen. Für zukünftige Studien können kommerziell erhältliche E-Zigaretten-Pumpmaschinen wie CSM-eSTEP (CH Technology USA, Inc., Northeastern, New Jersey) erworben werden, um ein repräsentativeres und zuverlässigeres ENDS-Aerosol für entsprechende Experimente zu erzeugen.
5. Schlussfolgerungen
Diese Studie liefert wertvolle experimentelle Ergebnisse zur respiratorisch deponierten Dosis im Zusammenhang mit der Verwendung von ENDS-Einwegprodukten unter Berücksichtigung der von der Aerosolgröße abhängigen ENDS-Substanzbestandteile und der respiratorischen Aerosoldepositionsfraktionen, die zu genaueren Schätzungen des Krebs- und Nichtkrebsrisikos führten. Die Methode und die Ergebnisse der Studie können einen Beitrag zur vorhandenen Literatur zur ENDS-Aerosoltoxizität leisten und künftige groß angelegte Studien zur Untersuchung der mit ENDS verbundenen Gesundheitsrisiken beeinflussen. Die Ergebnisse können auch in Regulierungsbemühungen im Tabakbereich einfließen, etwa in die Ausweitung des bundesstaatlichen Geschmacksverbots auf ENDS-Einwegprodukte, die Einführung strengerer Anforderungen an die Produktkennzeichnung und die Entwicklung wirksamer Kommunikationskampagnen zur Bekämpfung der Auswirkungen dieser neuartigen ENDS-Produkte auf die öffentliche Gesundheit.
Autorenbeiträge
W.-CS, H.-CL und AB haben die Studie entworfen und konzipiert. H.-CL und AB führten Literaturrecherchen durch und stellten Zusammenfassungen früherer Forschungsstudien bereit. W.-CS führte die Laborarbeit durch. H.-CL führte die Gesundheitsrisikobewertung durch. H.-CL und W.-CS interpretierten die Ergebnisse. H.-CL und W.-CS haben das Manuskript verfasst. AB hat das Manuskript kritisch überarbeitet. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.
Finanzierung
Diese Studie wurde durch R21ES031795 vom National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) an W.-CS, R01DA049154 vom National Institute on Drug Abuse (NIDA) an AB und H.-CL sowie durch Unterstützung vom Southwest Center for Occupational unterstützt und Umweltgesundheit (SWCOEH), das Bildungs- und Forschungszentrum des National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) (T42OH008421) des Centers for Disease Control and Prevention (CDC) am Health Science Center der University of Texas an der Houston (UTHealth) School of Public Gesundheit.
