Sigarette elettroniche usa e getta e rischi per la salute associati: uno studio sperimentale
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Sigarette elettroniche usa e getta e rischi per la salute associati: uno studio sperimentale
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L’uso di sistemi elettronici di somministrazione di nicotina (ENDS), comprese le sigarette elettroniche usa e getta, è stato prevalente. Le analisi chimiche esistenti di ENDS si concentravano sugli e-liquid piuttosto che sugli aerosol e non prendevano in considerazione le dimensioni delle particelle e le frazioni di deposizione respiratoria dell’aerosol, che sono fattori chiave per le dosi di inalazione. Questo studio ha studiato i costituenti chimici organici e metallici nell'aerosol ENDS di dimensioni segregate e ha valutato le dosi depositate e i rischi per la salute di queste sostanze. Sono state condotte analisi chimiche dell'aerosol su due popolari prodotti ENDS monouso: Puff Bar (Grape) e Air Bar (Watermelon Ice). Un aerosol ENDS è stato generato e erogato in un impattore di deposito uniforme con micro-orifizio per raccogliere campioni di aerosol separati per dimensione, in cui sono stati analizzati prodotti chimici organici e metalli. Sono state stimate le dosi giornaliere e per tutta la vita per ciascuna sostanza chimica. Le valutazioni del rischio tumorale e non tumorale sono state condotte sulla base delle dosi depositate. Abbiamo scoperto che l’aerosol delle sigarette elettroniche contiene alcune sostanze chimiche organiche dannose e metalli che, come è noto, causano problemi respiratori. I rischi stimati di cancro respiratorio corrispondenti al cromo di entrambi i prodotti ENDS e al nichel di Air Bar (Watermelon Ice) erano sostanzialmente superiori al rischio convenzionalmente accettabile. Il metodo, i risultati e le implicazioni possono contribuire alla letteratura esistente sugli studi sulla tossicità dell’ENDS, nonché informare la regolamentazione del tabacco e futuri studi su larga scala.
Parole chiave:
sigarette elettroniche usa e getta; tossicità dell'aerosol; rischio per la salute; distribuzione granulometrica; deposizione respiratoria1. Introduzione
L’uso dei sistemi elettronici di somministrazione di nicotina (ENDS), compreso l’uso delle sigarette elettroniche, è prevalente tra i giovani e i giovani adulti ed è diventato un problema di salute pubblica. Secondo la nostra analisi secondaria dei dati del National Health Interview Survey del 2019, i tassi di prevalenza dell’uso abituale e dell’uso attuale di ENDS tra i giovani adulti erano rispettivamente del 32,4% e del 9,4%, seguendo una tendenza all’aumento negli ultimi dieci anni [1]. Inoltre, uno studio che utilizza i dati del National Youth Tobacco Survey del 2019 ha rivelato che il 27,5% degli studenti delle scuole superiori ha riferito di utilizzare attualmente la sigaretta elettronica; tra questi, il 34,2% ha riferito un uso frequente di sigarette elettroniche (vale a dire, utilizzo per 20 o più giorni negli ultimi 30 giorni) [2]. I prodotti ENDS sono particolarmente attraenti per i giovani e i giovani adulti grazie alle loro caratteristiche personalizzabili e innovative [3,4,5], al minor rischio percepito [6,7] e alla maggiore accettabilità sociale rispetto alle sigarette combustibili [8].
I prodotti ENDS sono diversi e si sono evoluti rapidamente da prodotti usa e getta simili a sigarette (prima generazione) a sistemi a cartuccia (seconda generazione), a sistemi a serbatoio (terza generazione) e a dispositivi a base di sale alla nicotina come JUUL (quarta generazione). Recentemente, la popolarità di JUUL è stata raggiunta dai dispositivi per sigarette elettroniche usa e getta simili a JUUL (di seguito, "ENDS usa e getta") grazie alle opzioni di aroma, al design e al packaging accattivanti, al prezzo basso e alla praticità (ovvero, tutto- in uno, autonomo, senza riempimento di e-liquid e senza ricarica della batteria) [2,9]. L’industria del tabacco ha dimostrato una notevole ingegnosità nel fornire prodotti nuovi/modificati seguendo le normative [10]. Ad esempio, a partire da quando questo studio è stato condotto all'inizio del 2022, i prodotti ENDS usa e getta non sono limitati dalla regolamentazione federale sugli aromi a causa della definizione ristretta di cartuccia della FDA [11]. Infatti, l'85,8% degli attuali consumatori giovani acquista ENDS usa e getta con aromi di frutta [12].
Gli studi hanno scoperto che i prodotti ENDS contengono sostanze chimiche aromatizzanti, di cui alcune sono associate a irritazione o danni alle vie respiratorie, come δ-dodecalattone, mentolo, alcol benzilico e corylone [13,14,15,16]. Inoltre, gli elementi riscaldanti (ad esempio, atomizzatore/bobina) e i serbatoi dei dispositivi ENDS sono costituiti da metalli che potrebbero essere rilasciati nell'e-liquid e nell'aerosol durante l'uso, con cromo e nichel che contribuiscono principalmente al rischio di cancro [17,18]. Tuttavia, le analisi chimiche esistenti condotte per i prodotti ENDS, compresi gli ENDS usa e getta, si sono concentrate principalmente sugli e-liquid che non riflettono necessariamente le sostanze chimiche nell'aerosol ENDS che effettivamente si depositano nelle vie aeree degli utenti di ENDS [15,19]. Sebbene esistano alcuni studi che hanno analizzato l'aerosol ENDS [20,21,22] e valutato i rischi per la salute associati [18], questi studi non hanno considerato la dimensione delle particelle dell'aerosol ENDS e le dimensioni respiratorie correlate. frazioni di deposizione stimando i rischi per la salute. Questo è un problema serio poiché la dimensione delle particelle influisce direttamente sulla posizione di deposizione respiratoria e sulla frazione di deposizione nelle vie aeree. Infatti, l'aerosol ENDS generato dallo svapo è un mix di goccioline liquide con un diametro delle particelle di aerosol che va da ultrafine (meno di 0,1 µm) a dimensioni micron (fino a circa 4 µm). Pertanto, si prevede che l'aerosol ENDS inalato entri e si depositi in diverse regioni delle vie aeree umane con varie dosi depositate. È importante sottolineare che si prevede che la maggior parte dell’aerosol ENDS si depositerà nel tratto respiratorio inferiore, probabilmente con effetti negativi sulla salute a causa dell’enorme superficie delle vie aeree nella regione alveolare [23]. La dose depositata è l’antecedente della dose interna prima di prendere in considerazione la clearance respiratoria e il tasso di assorbimento e quindi può servire come indice cardine della valutazione del rischio per la salute associato allo svapo. La distribuzione dimensionale dell’aerosol ENDS e le frazioni di deposizione respiratoria sono i fattori chiave per stimare accuratamente questo indice pivot [23], e quindi dovrebbe essere incluso nella valutazione del rischio sanitario.
Questo studio ha colmato le lacune di conoscenza utilizzando un approccio migliorato per stimare le dosi depositate di sostanze chimiche in due prodotti ENDS usa e getta comunemente adottati e i rischi per la salute associati a cancro e non cancro. L'approccio sperimentale ha considerato le frazioni di deposizione respiratoria dell'aerosol dipendenti dalle dimensioni e ha condotto un'analisi dei costituenti chimici separati per dimensione sull'aerosol ENDS. I risultati del nostro studio potrebbero migliorare l’accuratezza della stima delle dosi di sostanze chimiche ENDS depositate nei polmoni dello svapatore, che a sua volta potrebbe informare le normative sul tabacco e futuri studi su larga scala che valutano i rischi per la salute associati all’uso di prodotti ENDS usa e getta.
2. Materiali e metodi
2.1. Raccolta di campioni di aerosol ENDS separati per dimensione
Le analisi chimiche dell'aerosol in questo studio sono state condotte sui seguenti due popolari prodotti ENDS usa e getta: Puff Bar (Grape) e Air Bar (Watermelon Ice). La selezione di questi due prodotti ENDS usa e getta si è basata sulla prevalenza di prodotti ENDS usa e getta da uno studio separato condotto dal gruppo di ricerca che ha esaminato i comportamenti di utilizzo degli ENDS da parte degli studenti universitari. Questi due prodotti ENDS usa e getta sono stati quelli più comunemente adottati dai partecipanti allo studio.
In questo studio, campioni di aerosol ENDS separati per dimensione sono stati raccolti utilizzando un impattore a deposito uniforme con micro-orifizio (MOUDI 110-R, MSP Co., Shoreview, MN, USA). Il MOUDI è in grado di raccogliere campioni di aerosol con diametri di particelle che vanno da 0,056 a 18 µm nelle sue 11 fasi di raccolta (cioè campionamento separato per dimensione). Supera le prestazioni dei comuni strumenti aerosol a lettura diretta come i contatori di particelle e gli spettrometri che non sono in grado di gestire l'aerosol di sigaretta elettronica appena generato con una concentrazione di aerosol estremamente elevata. Ciascuno stadio MOUDI ha un intervallo di dimensioni delle particelle collezionabili e una frazione media di deposizione polmonare può essere calcolata in base a tale intervallo di dimensioni delle particelle (vedere Appendice A, Tabella A1). I campioni di aerosol ENDS raccolti da MOUDI in diverse fasi sono stati utilizzati per i calcoli della distribuzione delle dimensioni delle particelle e per le analisi della composizione chimica.
Per raccogliere campioni di aerosol ENDS monouso, filtri a membrana in politetrafluoroetilene (PTFE) (PALL Co., Port Washington, NY, USA) sono stati posizionati su ciascuno stadio MOUDI e il MOUDI è stato utilizzato alla portata di campionamento di 30 L/min. È stata utilizzata una siringa da 100 ml per aspirare l'aerosol ENDS dai due prodotti ENDS monouso e quindi pompare l'aerosol ENDS direttamente in MOUDI per la raccolta del campione. Questa procedura è stata ripetuta 10 volte (10 spruzzi) per accumulare una quantità sufficiente di aerosol ENDS su ciascuno stadio MOUDI per la successiva analisi del peso e della sostanza. Dopo l'esperimento di raccolta dei campioni, i filtri in PTFE con i campioni di aerosol ENDS raccolti sono stati scaricati dal MOUDI, pesati individualmente con una microbilancia e quindi inviati ai laboratori per l'analisi chimica organica e l'analisi dei metalli per identificare i costituenti chimici dipendenti dalle dimensioni nell'aerosol ENDS. La raccolta dei campioni è stata condotta tre volte per ciascun prodotto ENDS per garantire l'affidabilità e la replicabilità dei dati. La distribuzione delle dimensioni delle particelle dell'aerosol ENDS e i dati sui costituenti chimici dipendenti dalle dimensioni svolgono un ruolo chiave nella stima della dose depositata di una specifica sostanza chimica ENDS nei polmoni del vaper.
2.2. Analisi chimica organica e dei metalli
L'analisi chimica organica per l'aerosol ENDS è stata condotta utilizzando la gascromatografia-spettrometria di massa (GC/MS) per rilevare la massa di sostanze chimiche organiche come nicotina, PG, VG e agenti aromatizzanti sui filtri MOUDI per acquisire informazioni dipendenti dalle dimensioni. Nello specifico, le due ESTREMITÀ usa e getta sono state smontate per individuare gli stoppini da svapo imbevuti di e-liquid. I principali componenti chimici dell'e-liquid sono stati prima estratti con acetonitrile e analizzati mediante GC/MS. Quindi, i campioni di aerosol ENDS sui filtri MOUDI sono stati estratti nello stesso modo e concentrati per l'analisi GC/MS. L'analisi chimica GC/MS è stata effettuata con una sorgente ionica a ionizzazione elettronica (GC/EI-MS, Agilent 6890N GC e 5975 inert XL MSD) e le sostanze chimiche sono state tutte quantificate utilizzando standard autentici o surrogati. Procedure dettagliate per l'analisi organica sono descritte altrove [23]. Nell'analisi chimica organica, il recupero degli analiti target è stato determinato aggiungendo una quantità nota di sostanze chimiche su filtri vuoti (n=3) ed estraendoli con le stesse procedure della raccolta di campioni di aerosol. L'analisi dei metalli è stata condotta utilizzando la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP/MS) per rilevare la massa di metalli pericolosi come nichel, cromo e piombo su diversi filtri MOUDI per ottenere informazioni dipendenti dalle dimensioni. I filtri MOUDI sono stati inizialmente elaborati per la lisciviazione acida e la digestione utilizzando HNO a doppia distillazione ultra pulita3e HF, quindi le soluzioni del campione digerito sono state evaporate fino a secchezza incipiente. Per l'analisi ICP/MS è stato seguito un protocollo precedentemente consolidato utilizzando il triplo quadruplo ICP/MS (modello 8800, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) [24]. In questo modo è possibile acquisire elementi metallici fino a livelli inferiori al ppb (ng/g) con una precisione del ±5%.
Il focus dell'analisi di laboratorio in questo studio sono le sostanze chimiche organiche nocive e i metalli precedentemente identificati nell'aerosol ENDS e pubblicati in letteratura [14,18,25,26,27,28,29]. Pertanto, la progettazione della nostra analisi chimica organica si è concentrata sulla nicotina, sul solvente vettore (ad esempio, glicerolo, glicole propilenico, formaldeide, acetaldeide, acroleina, acetone, metilgliossale, acido benzoico e trietil citrato), nonché aromatizzanti e altre sostanze chimiche ( ad esempio, etilvanillina, vanillina, cinnamaldeide, mentolo, acetoino, citrale, alcool benzilico, benzaldeide, diacetile, acetato di etile, etilmaltolo, triacetina, metil antranilato, metil diidrojasmonato, melonal, corylone, δ-dodecalattone, -terpineolo, -decalattone e 3-esagono-1-ol). Allo stesso modo, nella nostra analisi dei metalli sono stati rilevati più di 20 metalli, ma il focus di questo studio era su nichel (Ni), manganese (Mn), zinco (Zn), cromo (Cr) e piombo (Pb).
2.3. Stima delle dosi depositate di sostanze ENDS
Per stimare i rischi per la salute associati all'inalazione di sostanze ENDS nei polmoni dei vapers, sono state calcolate la dose giornaliera media (ADD) e la dose giornaliera media (LADD) nell'arco della vita. ADD e LADD sono stati calcolati sulla base delle seguenti equazioni convenzionali:𝐴𝐷𝐷=𝐶×𝐶𝑅×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐴𝑇���=�×��×����×��
(1)
𝐿𝐴𝐷𝐷=𝐶×𝐶𝑅×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐿𝐸����=�×��×����×��
(2)
dove 𝐶� è la concentrazione dell'esposizione (ng/m3), 𝐶𝑅�� è il tasso di contatto (m3/giorno), 𝐶𝑇�� è il tempo di contatto, che si presume sia di 30 anni (10.950 giorni) per la popolazione di vaper di fascia alta, 𝐵𝑊�� è il peso corporeo (70 kg), 𝐴𝑇�� è il tempo medio , che equivale a 𝐶𝑇�� (10.950 giorni), e 𝐿𝐸�� è l'aspettativa di vita, che è di 70 anni (25.550 giorni) secondo le ipotesi di esposizione predefinita dell'USEPA. Nel caso dello svapo, il termine 𝐶×𝐶𝑅�×�� è uguale all'assunzione giornaliera della sostanza ENDS (ng/giorno), e l'assunzione giornaliera della sostanza attraverso lo svapo dovrebbe provenire dal numero totale di sbuffi di svapo in uno giorno. Sulla base della letteratura, la media giornaliera di sbuffi segnalati da un vaper è di circa 163 sbuffi/giorno [30]. Pertanto, sulla base del disegno sperimentale e dei risultati di questo studio, le equazioni (1) e (2) possono essere modificate per l'impostazione dello svapo come segue:𝐴𝐷𝐷𝑗=∑𝑖𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗=0.1𝑀𝑖,𝑗×𝐶𝑅𝑝×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐴𝑇����=∑�����,�=0.1��,�×���×����×��
(3)
𝐿𝐴𝐷𝐷𝑗=∑𝑖𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗=0.1𝑀𝑖,𝑗×𝐶𝑅𝑝×𝐶𝑇𝐵𝑊×𝐿𝐸�����=∑������,�=0.1��,�×���×����×��
(4)
dove 𝑀𝑖,𝑗��,� è la massa di una specifica sostanza ENDS j (sostanza chimica organica o metallo) nell'aerosol ENDS trovato sullo stadio MOUDI I (i {{0}} a 11) dal GC Analisi /MS e ICP/MS. Poiché 𝑀𝑖,𝑗��,� si basa su 10 boccate, 0,1𝑀𝑖,𝑗��,� è uguale alla massa della sostanza ENDS in una boccata. 𝐶𝑅𝑝��� è il tasso di contatto dell'aerosol ENDS nell'unità di puff/giorno. Sulla base della letteratura, il 𝐶𝑅𝑝��� era fissato a 163 erogazioni al giorno [30]. Sulla base di questi, 𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗����,� riflette la dose media giornaliera di una sostanza specifica j contenuta nell'aerosol ENDS all'interno di un intervallo di dimensioni i (MOUDI stadio i); 𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗������,� è la dose giornaliera media nel corso della vita di una sostanza specifica j contenuta nell'aerosol ENDS all'interno di un intervallo di dimensioni i. La somma nelle equazioni (3) e (4) indica che la dose di una specifica sostanza ENDS nei polmoni di uno svapatore attivo viene calcolata aggregando le dosi di tutti gli 11 singoli stadi MOUDI (∑𝐴𝐷𝐷𝑖, 𝑗∑����,� e ∑𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗∑������,�). Le equazioni (3) e (4) possono essere ulteriormente modificate considerando l'importante fattore delle frazioni di deposizione respiratoria dell'aerosol per stimare la dose depositata nei polmoni del vaper (cioè la dose contribuito dall’aerosol ENDS effettivamente depositato nelle vie aeree) come segue:𝐴𝐷𝐷′𝑗=∑𝑖𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗×𝐷𝐹𝑖���′�=∑�����,�×���
(5)
𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗=∑𝑖𝐿𝐴𝐷𝐷𝑖,𝑗×𝐷𝐹𝑖����′�=∑������,�×���
(6)
dove 𝐷𝐹𝑖��� è la frazione media di deposizione respiratoria (da {{0}}.0 a 1,0) per la dimensione dell'aerosol collezionabile dello stadio MOUDI i. Il sistema respiratorio umano utilizzato in questo studio copre le vie aeree tracheobronchiali fino alla regione alveolare e i corrispondenti dati pubblicati delle frazioni di deposizione respiratoria di aerosol sono stati adottati per acquisire le frazioni di deposizione medie (vedere Appendice A, Tabella A1 per la stima 𝐷𝐹𝑖���) [ 23]. In questo modo, 𝐴𝐷𝐷′𝑗����′� e 𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗����′� tengono conto delle frazioni di massa realistiche dipendenti dalle dimensioni della sostanza nell'aerosol ENDS, nonché della frazione dell'aerosol ENDS inalato che effettivamente contribuisce alla dose depositata.2.4. Stima dei rischi tumorali e non tumorali
Il 𝐴𝐷𝐷′𝑗����′� stimato dall'equazione (5) è stato quindi utilizzato per calcolare il quoziente di rischio (HQ) per valutare il rischio per la salute non canceroso indotto dalla sostanza j in un prodotto ENDS monouso (prodotto chimico organico o metallo) come segue:𝐻𝑄𝑗=𝐴𝐷𝐷′𝑗𝑅𝑓𝐷𝑗 {<1 No adverse health effect is expected>1 Gli effetti nocivi sulla salute sono potenziali ���=����′������ {<1 No adverse health effect is expected>1 Gli effetti nocivi sulla salute sono potenziali
(7)
dove 𝑅𝑓𝐷𝑗���� è la dose di riferimento (RfD) pubblicata per la sostanza ENDS j. Si noti che nel caso in cui per una particolare sostanza fosse disponibile solo la concentrazione di riferimento (RfC), la RfC veniva convertita in RfD utilizzando una velocità di inalazione ragionevole di 20 m3/giorno e un peso corporeo predefinito di 70 kg (ovvero, RfD=RfC × 20/70) [18]. Inoltre, l'indice di pericolo (HI) è stato applicato alle sostanze che inducono effetti sanitari simili, non cancerosi, sullo stesso organo/sistema bersaglio (ad esempio, sistema respiratorio). Pertanto, l'HI è la somma di tutti i relativi 𝐻𝑄𝑗��� (𝐻𝐼=∑𝐻𝑄𝑗��=∑���). Quando HQ o HI supera 1,0, indica che sono potenziali effetti avversi sulla salute non cancerosi per gli utenti di ENDS monouso.𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗����′� calcolato nell'equazione (6) è stato utilizzato per valutare il rischio di malattie respiratorie tumori associati all’uso del prodotto ENDS monouso come segue:𝐶𝑎𝑛𝑐𝑒𝑟 𝑅𝑖𝑠𝑘𝑗=𝐿𝐴𝐷𝐷′𝑗×𝐶𝑆𝐹𝑗 {<10−6 Acceptable cancer risk >10−6 Rischio di cancro inaccettabile������ �����=����′�×���� {<10−6 Acceptable cancer risk >10−6 Rischio di cancro inaccettabile
(8)
dove 𝐶𝑆𝐹𝑗���� è il fattore di pendenza del cancro pubblicato (cioè la potenza del cancro) di una specifica sostanza ENDS j (sostanza chimica organica o metallo). Per la valutazione del rischio di cancro, il rischio di cancro stimato che supera 10−6(uno su un milione) indica un rischio di cancro inaccettabile per gli utenti di ENDS usa e getta. I valori di RfD, RfC e CSF nelle equazioni (7) e (8) per le valutazioni del rischio tumorale e non tumorale sono stati compilati dai siti Web ufficiali dell'EPA e della CalEPA degli Stati Uniti [31,32,33,34].3. Risultati
3.1. Sostanze rilevate nell'aerosol ENDS
La Tabella 1 e la Tabella 2 mostrano le sostanze chimiche organiche e i metalli (selezionati) rilevati dall'aerosol generato dai due prodotti ENDS monouso, Puff Bar (Grape) e Air Bar (Watermelon Ice), rispettivamente. I risultati quantificati sono espressi come la massa della sostanza rilevata sul filtro (ng), che era la media dei campioni filtrati triplicati dello stesso stadio MOUDI. Per i composti organici, in base alla nostra analisi chimica, sia Puff Bar (Grape) che Air Bar (Watermelon Ice) contengono nicotina, glicole propilenico (PG), glicerolo (VG), acido benzoico, trietil citrato, etil maltolo e {{2 }}esagono-1-ol. È noto che PG e VG sono solventi vettore comunemente utilizzati negli e-liquid dei prodotti ENDS. Inoltre, Puff Bar contiene anche metil antranilato, -terpineolo e perillartina, mentre Air Bar contiene anche alcol benzilico, vanillina, melonale, metil diidrojasmonato e -decalattone. Come agenti aromatizzanti vengono aggiunti prodotti chimici organici come vanillina, melonale, etilmaltolo e alcol benzilico [35]. Per l'analisi dei metalli, abbiamo elencato solo i metalli di cui è stata documentata l'associazione con effetti avversi sulla salute nella Tabella 1 e nella Tabella 2. I metalli rilevati sui filtri includono cromo, nichel, manganese, piombo, alluminio e zinco, tutti documentati avere un impatto negativo sul sistema respiratorio (e persino sul cancro ai polmoni) e sul sistema nervoso centrale [18]. La Tabella 1 e la Tabella 2 presentano anche la distribuzione di massa dell'aerosol ENDS raccolto da MOUDI in base agli intervalli di dimensioni dell'aerosol collezionabile. Nel complesso, la massa di sostanze chimiche organiche era distribuita normalmente e ha raggiunto il picco intorno allo stadio 6 (dimensione dell'aerosol collezionabile di 1,8 Maggiore o uguale a d Maggiore o uguale a 1,0 µm), che è proporzionale alla distribuzione di massa ( uguale alla distribuzione granulometrica) dell'aerosol ENDS. Tuttavia, non abbiamo osservato i metalli seguire una tale distribuzione. Con i dati sopra riportati sui componenti della sostanza dipendenti dalle dimensioni, è possibile stimare la dose di una specifica sostanza correlata all'ENDS (sostanza chimica organica o metallo) depositata nei polmoni del vaper, nonché i rischi per la salute associati.
Tabella 1.Sostanze rilevate in campioni di aerosol ENDS divisi per dimensione generati da Air Bar (Watermelon Ice).
Tabella 2.Sostanze rilevate in campioni di aerosol ENDS divisi per dimensione generati da Puff Bar (Grape).
3.2. Dosi respiratorie depositate stimate di sostanze ENDS
La Tabella 3 e la Tabella 4 mostrano l'ADD e la LADD stimati per i prodotti chimici organici e i metalli elencati nella Tabella 1 e nella Tabella 2. L'ADD e la LADD stimati sono stati calcolati sulla base delle equazioni (1)–(6), tenendo conto dei parametri realistici di utilizzo dell'ENDS , composizione della sostanza dipendente dalle dimensioni dell'aerosol e frazioni di deposizione respiratoria dell'aerosol convenzionali. ADD e LADD misurano la dose depositata respiratoria della sostanza ENDS di interesse. Come mostrato nella Tabella 3 e nella Tabella 4, le dosi depositate corrispondenti a nicotina, glicole propilenico, glicerolo e acido benzoico erano relativamente più elevate rispetto a quelle di altri prodotti chimici organici. Tra i metalli, zinco, alluminio, nichel e cromo tendevano ad avere dosi depositate relativamente più elevate. In generale, Air Bar (Watermelon Ice) ha prodotto dosi depositate più elevate sia di sostanze chimiche organiche che di metalli rispetto a Puff Bar (Grape). In particolare, l'aerosol ENDS generato dall'Air Bar (Watermelon Ice) conteneva dosi stimate più elevate di nicotina, glicole propilenico, glicerolo, cromo, nichel, manganese, piombo, alluminio e zinco, rispetto a quello del Puff Bar (Grape).
Tabella 3.Dosi stimate depositate nei polmoni e rischi di cancro e non cancro dell'aerosol ENDS generato da Air Bar-Watermelon Ice.
Tabella 4.Dosi stimate depositate nei polmoni e rischi di cancro e non cancro dell'aerosol ENDS generato da Puff Bar-Grape.
3.3. Rischi stimati di cancro e non cancro delle sostanze ENDS
I rischi tumorali e non tumorali per i metalli selezionati presenti nell'aerosol ENDS sono stati stimati sulla base dei corrispondenti ADD e LADD e i risultati sono presentati nella Tabella 3 e nella Tabella 4. Queste tabelle mostrano anche i valori di CSF pubblicati dagli Stati Uniti EPA e CalEPA e sono stati applicati nella nostra stima del rischio di cancro [32]. Tra i metalli trovati nell'aerosol generato da Air Bar (Watermelon Ice), i rischi di cancro stimati di cromo e nichel erano 1.0 × 10−3e 1,5×10−6, rispettivamente, che sono considerati sostanzialmente al di sopra del rischio accettabile di 10−6. Per i metalli presenti nell'aerosol generato da Puff Bar (Grape), il rischio stimato di cancro respiratorio corrispondente al cromo era 3,9 × 10−4, che supera anche il rischio convenzionale accettabile. Per la stima del rischio non tumorale (misurato dall'HQ), sono stati utilizzati i valori RfD (o RfC) corrispondenti ai metalli pubblicati da US EPA e CalEPA (elencati nella Tabella 3 e nella Tabella 4) [31,33,34]. I risultati della valutazione del rischio non canceroso mostrano che i valori di HQ per tutti i metalli nella Tabella 3 e nella Tabella 4 erano tutti inferiori a 1.{{10}}, indicando che nessuno dei metalli da solo sarebbe indurre un impatto significativo sul sistema respiratorio o sul sistema nervoso centrale. Tuttavia, sommando i rischi per la salute non legati al cancro corrispondenti allo stesso organo bersaglio, si è riscontrato che il cromo e il nichel nell'aerosol generato da Air Bar (Watermelon Ice) comportavano un rischio respiratorio di HI=1.14, che è superiore al livello accettabile di 1,0, indicando un potenziale rischio di effetti respiratori avversi (non cancerosi) tra le persone che usano regolarmente Air Bar (Watermelon Ice). Effetti avversi simili, tuttavia, non sono stati riscontrati nell'aerosol generato da Puff Bar (Grape).
4. Discussione
I risultati ottenuti da questo studio sperimentale hanno colmato le lacune della letteratura fornendo una stima più accurata della dose respiratoria depositata e dei rischi per la salute associati, cancerosi e non, legati all’uso di ENDS monouso. Acquisendo dati sui costituenti chimici separati per dimensione dall'aerosol ENDS e considerando la frazione di deposizione respiratoria dipendente dalla dimensione dell'aerosol, è possibile valutare accuratamente i rischi per la salute dei prodotti ENDS monouso. Uno dei principali punti di forza di questo approccio è che tiene conto della quantità di sostanze ENDS che effettivamente si depositano nelle vie aeree umane.
I risultati delle nostre analisi chimiche hanno verificato che l'aerosol delle sigarette elettroniche contiene sostanze chimiche organiche e metalli dannosi (ad es. alcol benzilico, -decalattone, cromo, nichel) che è documentato causare problemi respiratori e persino cancro ai polmoni. Abbiamo anche scoperto che manganese e piombo compaiono nell'aerosol ENDS, che ha noti effetti negativi sul sistema nervoso centrale umano. Tra i metalli rilevati, abbiamo riscontrato che i rischi stimati di cancro respiratorio corrispondenti al cromo di entrambi i prodotti ENDS monouso erano sostanzialmente superiori al rischio accettabile. Anche il rischio di cancro respiratorio corrispondente al nichel nell’aerosol dell’Air Bar (Watermelon Ice) era sostanzialmente superiore al rischio accettabile. Inoltre, né il cromo né il nichel da soli nei due prodotti END usa e getta erano associati a rischi per la salute non cancerosi inaccettabili. Tuttavia, sommando i rischi individuali non legati al cancro con lo stesso organo bersaglio, abbiamo scoperto che il cromo e il nichel nell’aerosol ENDS generato da Air Bar (Watermelon Ice) hanno un effetto additivo sul sistema respiratorio. Questi risultati fanno eco alle prove crescenti a sostegno dell’idea che le sostanze chimiche cancerogene e dannose siano effettivamente preoccupazioni per gli utenti regolari di ENDS [18,25,35]. In particolare, i nostri rischi stimati di cancro e non cancro erano generalmente inferiori a quelli dello studio di Fowles et al. [18], probabilmente a causa di diversi tipi di ENDS e metodi per ottenere concentrazioni di metalli. Tuttavia, è probabile che le nostre stime siano più accurate perché si basavano sulle dosi stimate di sostanze chimiche depositate nelle vie aeree umane, nonché sulla composizione delle sostanze ENDS analizzate sperimentalmente e trovate nell'aerosol ENDS.
Un contributo unico di questo studio è che la stima delle dosi depositate e dei rischi per la salute associati è stata presa in considerazione nella dimensione delle particelle dell’aerosol. Il metodo utilizzato in questo studio potrebbe essere ulteriormente applicato allo studio della tossicità degli aerosol per altri prodotti ENDS. Nello specifico, i dati sui costituenti dipendenti dalle dimensioni ottenuti dalla nostra analisi chimica hanno fornito informazioni utili per stimare correttamente la dose di specifiche sostanze chimiche ENDS nella regione delle vie aeree umane. Sulla base dei dati ottenuti dalla raccolta di campioni separati per dimensione MOUDI, abbiamo scoperto che le distribuzioni delle dimensioni delle particelle di quasi tutte le sostanze chimiche organiche sono proporzionali alla distribuzione della massa dell'aerosol ENDS. Le sostanze chimiche organiche contenute nell'aerosol ENDS erano distribuite normalmente e generalmente raggiungevano il picco intorno allo Stadio 6 MOUDI (dimensione dell'aerosol collezionabile: da 1,0 a 1,8 µm). Date le informazioni sulla deposizione respiratoria dell'aerosol dipendente dalle dimensioni (riportate nell'Appendice A, Tabella A1), ciò implica che il 16% dell'aerosol ENDS più abbondante inalato (1,0–1,8 µm) si depositerebbe nei polmoni del vaper all'interno le vie aeree tracheobronchiali e la regione alveolare.
Oltre al metodo sperimentale migliorato, questo studio ha importanti implicazioni politiche. Questo studio ha rilevato che nell'aerosol delle due ENDS monouso sono stati rilevati composti organici e metalli dannosi e potenzialmente dannosi, con alcuni metalli che comportano rischi di cancro e/o non cancro eccessivamente accettabili. Questi risultati sottolineano l’importanza di regolamentare tali sostanze chimiche dannose e potenzialmente dannose. Oltre a verificare i risultati di studi precedenti secondo cui gli elementi riscaldanti e gli agenti aromatizzanti negli e-liquid dei prodotti ENDS sono fonti di alcune sostanze chimiche dannose [18,25], il nostro studio ha ulteriormente sviluppato una metodologia per stimare in modo più accurato le dosi di sostanze correlate all'ENDS ciò potrebbe informare meglio la regolamentazione dei prodotti del tabacco fornendo una stima più accurata dei livelli di sostanze tossiche. Inoltre, poiché la FDA ha vietato i prodotti ENDS aromatizzati ad eccezione di ENDS usa e getta a causa della definizione ristretta della FDA di cartuccia per sigaretta elettronica [11], i risultati del nostro studio incentrato specificamente sulle ENDS usa e getta hanno fornito alla FDA un ulteriore fondamento scientifico da considerare estendere il divieto degli aromi ai prodotti ENDS usa e getta. Inoltre, poiché le aziende ENDS pubblicizzano comunemente che gli ENDS contengono nicotina, sostanze chimiche aromatizzanti e soluzioni di trasporto (ad esempio, glicole propilenico), ma minimizzano l'esistenza di sostanze nocive nell'aerosol ENDS [36], sono imperativi requisiti di etichettatura dei prodotti più rigorosi ed efficaci campagne di controcomunicazione. .
Questo studio presenta dei limiti che devono essere riconosciuti. Innanzitutto, sebbene abbiamo studiato l'aerosol di due ENDS usa e getta comunemente adottati, non rappresentavano tutti i prodotti ENDS che variano in base al gusto, al modello e alla marca. Caratteristiche diverse del prodotto possono essere associate a rischi diversi per la salute. Ad esempio, uno studio che ha esaminato la benzaldeide negli aerosol generati dall'ENDS ha rilevato che i livelli più alti di benzaldeide sono stati rilevati nei prodotti ENDS al gusto di ciliegia [37]. Sono necessari studi futuri per studiare sistematicamente la tossicità dell'aerosol unita alle caratteristiche del prodotto (ad esempio, sapore, modello, tensione di alimentazione) per informare ulteriori azioni normative sul tabacco. In secondo luogo, la nostra valutazione dei rischi per la salute cancerosi e non cancerosi associati ai composti organici e ai metalli dell’aerosol ENDS si basava su informazioni documentate sulla potenza del cancro (CSP) e RfD (o RfC) fornite da EPA e CalEPA. Tuttavia, tali informazioni non sono state stabilite per la maggior parte delle sostanze chimiche organiche rilevate in questo studio. Pertanto, sebbene le dosi giornaliere come ADD e LADD possano essere stimate per tutte le sostanze chimiche organiche presenti nell’aerosol ENDS, le valutazioni del rischio sanitario associato possono essere completate solo per alcune sostanze chimiche. Sono necessari studi futuri per indagare ulteriormente i rischi per la salute associati ad altre sostanze chimiche quando le relative informazioni sulla tossicità (ad esempio CSP, RfD e RfC) saranno disponibili. Infine, l’utilizzo di una siringa per aspirare l’aerosol dai prodotti ENDS per generare l’aerosol ENDS potrebbe non rappresentare la situazione reale dello svapo. Tuttavia, questo metodo è semplice e utile per generare in modo efficiente un aerosol dai prodotti ENDS. Per studi futuri, è possibile acquisire macchine per sbuffare e-cigarette disponibili in commercio come CSM-eSTEP (CH Technology USA, Inc., Northeastern, New Jersey) per generare un aerosol ENDS più rappresentativo e affidabile per esperimenti correlati.
5. Conclusioni
Questo studio fornisce preziosi risultati sperimentali sulla dose respiratoria depositata associata all'uso di prodotti ENDS monouso considerando i costituenti della sostanza ENDS dipendenti dalla dimensione dell'aerosol e le frazioni di deposizione respiratoria dell'aerosol, che hanno prodotto stime più accurate del rischio di cancro e non cancro. Il metodo e i risultati dello studio possono contribuire alla letteratura esistente sulla tossicità dell’aerosol ENDS e possono informare futuri studi su larga scala che indagano sui rischi per la salute associati all’ENDS. I risultati possono anche orientare gli sforzi normativi sul tabacco, come l’estensione del divieto federale sugli aromi ai prodotti ENDS usa e getta, l’implementazione di requisiti di etichettatura dei prodotti più rigorosi e lo sviluppo di campagne di comunicazione efficaci per combattere l’impatto sulla salute pubblica di questi nuovi prodotti ENDS.
Contributi dell'autore
W.-CS, H.-CL e AB hanno progettato e concettualizzato lo studio. H.-CL e AB hanno condotto ricerche bibliografiche e fornito riassunti di precedenti studi di ricerca. W.-CS ha condotto il lavoro di laboratorio. H.-CL ha condotto la valutazione del rischio per la salute. H.-CL e W.-CS hanno interpretato i risultati. H.-CL e W.-CS hanno redatto il manoscritto. AB ha rivisto criticamente il manoscritto. Tutti gli autori hanno letto e accettato la versione pubblicata del manoscritto.
Finanziamento
Questo studio è stato supportato da R21ES031795 del National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) a W.-CS, R01DA049154 dal National Institute on Drug Abuse (NIDA) a AB e H.-CL e dal Southwest Center for Occupational e salute ambientale (SWCOEH), il Centro per l'istruzione e la ricerca dei Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC) dell'Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH) (T42OH008421) presso l'Health Science Center dell'Università del Texas a Houston (UTHealth) School of Public Salute.
