Подробное руководство по вейпингу. Часть 6

Альдегиды

Органические соединения, содержащие группу —CHO (углерод-водород-кислород). Они образуются в результате окисления спиртов. Типичными альдегидами являются метаналь (формальдегид) и этаналь (ацетальдегид). Альдегиды (вместе с кетонами) относятся к классу органических соединений, называемых карбонильными соединениями, характеризующихся двойной связью углерода с кислородом (C=O). Количество альдегидов в аэрозолях для электронных сигарет экспоненциально зависит от температуры спирали по закону Аррениуса (см. публикацию 1), но при нормальных температурах спирали (180-290 °C) эта функция имеет медленный рост, со значительным экспоненциальным ростом в режиме перегрева.

Основной путь образования альдегидов в аэрозолях электронных сигарет в качестве побочных продуктов пропиленгликоля (ПГ) и вискоэластоксида (ВГ) — это низкоэнергетический пиролиз или термическая деградация (включая дегидратацию, вызванную нагревом) растворителей ПГ и ВГ. Хотя существует и другой путь образования альдегидов из ПГ и ВГ: отщепление атома водорода гидроксильными радикалами, он эффективен только при температурах выше 360 °C, что значительно выше обычных температур нагревательных элементов электронных сигарет (180–290 °C). Это можно увидеть по низкому линейному росту альдегидов (например, глицеральдегида), образующихся по этому альтернативному пути, при обычных температурах нагревательных элементов. Все это подробно и в дидактической форме объяснено в всестороннем исследовании Y. LI и др.

На диаграммах, представленных на рисунке 2, показаны основные реакции термической деградации и продукты их распада, происходящие в аэрозолях электронных сигарет.

РИСУНОК 2. Реакции термической деградации пропиленгликоля и винного уксуса и их побочных продуктов. Красными прямоугольниками обозначены наиболее распространенные продукты.

Ли и др. измерили массу наиболее распространенных альдегидов в аэрозоле в зависимости от температуры койла.

РИСУНОК 3. Масса наиболее распространенных альдегидов на одну затяжку.

Обратите внимание на экспоненциальную зависимость массы (микрограммов на затяжку) от температуры. При температурах выше 266 °C (приблизительно температура кипения смеси PG/VG: 30/70) кривые растут очень быстро.

Соотношение PG/VG в жидкости для электронных сигарет также влияет на количество количественно определяемых альдегидов. На рисунке 4 ниже показана зависимость массы альдегидов от общей массы аэрозоля в зависимости от соотношения PG/VG.

РИСУНОК 4 : Доля массы 3 альдегидов в общей массе аэрозоля для различных уровней соотношения PG/VG.

Обратите внимание, что доля формальдегида в массе аэрозоля относительно нечувствительна к соотношению PG/VG, в то время как ацетальдегид преобладает при более высоком содержании PG, а акролеин — при более высоком содержании VG. Хотя общая масса аэрозоля уменьшается с увеличением использования, эти тенденции в содержании PG/VG в целом сохраняются. Кроме того, поскольку температуры кипения чистого VG выше, чем чистого PG (288 °C против 188 °C), в целом смеси электронных жидкостей с преобладанием VG производят все больше и больше побочных продуктов.

Примечание. Исследование Ли и др. является отличным источником для понимания химических реакций, их зависимости от температуры и влияния соотношения PG/VG, но его протокол затяжки не отражает потребительское использование (затяжка на саб-омном испарителе с недостаточным потоком воздуха), поэтому выход альдегидов (особенно формальдегида) аномально высок.

Сравнение с табачным дымом и загрязнением воздуха

Альдегиды с малой молекулярной массой вносят наибольший пропорциональный вклад в риск развития рака, связанный с курением (см. рисунок 2 в данном обзоре рисков рака, подготовленном Фоулзом и Дайбингом). В частности, согласно таблице 2 этого обзора, ацетальдегид и формальдегид занимают 4-е и 11-е места соответственно среди 158 химических веществ в сигаретном дыме. Оба вещества (а также акролеин) также демонстрируют высокие показатели в отношении рисков, не связанных с раком (см. таблицу 3 в работе Фоулза и Дайбинга).

Международное агентство по исследованию рака (IARC) классифицирует формальдегид как канцероген для человека (группа 1), ацетальдегид как потенциально канцерогенный (группа 2B), а акролеин как вероятно канцерогенный (группа 2A).

Поскольку формальдегид, ацетальдегид и акролеин являются наиболее распространенными побочными продуктами в аэрозолях электронных сигарет, их значительное снижение по сравнению с табачным дымом должно стать важным фактором снижения риска развития рака и других заболеваний при переходе от курения к вейпингу. Для сравнения, лабораторные тесты ISO (в микрограммах) на сигарету (источник) показывают значения 500-1500 для альдегида, 75-125 для формальдегида и 75-150 для акролеина.

Существует обзор 14 исследований выбросов (4 из которых проводились в промышленности), посвященных карбонильным соединениям. Предполагая, что 10 затяжек вейпа равны 1 сигарете, сообщаемые значения выхода формальдегида, ацетальдегида и акролеина группировались в диапазоне 1-10 микрограммов, что значительно ниже уровней в табачном дыме, упомянутых выше (исключением стало одно исследование, в котором сообщалось о 126 и 56 микрограммах формальдегида и ацетальдегида соответственно, но только при максимальной мощности). На рисунке 5 ниже представлена ​​таблица значений выхода альдегидов в 9 недавних исследованиях: Mollock, Talih1, Talih2, Chen, Bitzer, Talih3, Talih4 и Xu:

Рисунок 5. Выход альдегида на 10 затяжек. SREC — стандартизированный исследовательский образец электронной сигареты, ND не обнаружен.

Обратите внимание, что в некоторых исследованиях (Bitzer et al (2019), Talih et al (2022) и (2023)) верхний предел выхода формальдегида и альдегида достигал относительно высоких значений. Это отражает широкую вариативность качества и конструкции устройств, а также тот факт, что параметры затяжки в некоторых исследованиях не соответствуют потребительскому использованию. Например, Talih et al (2022) и (2023) делали затяжки каждые 10 секунд, что может завышать выход альдегида, поскольку 10 секунд может быть недостаточно для рассеивания остаточного тепла. Однако даже относительно высокие значения выхода (11,0 и 38,4 мкг) все еще значительно ниже уровней в табачном дыме (75-125 и 500-1500 мкг). Без учета выбросов выход составляет менее 1% (формальдегид) и менее 0,1% (ацетальдегид) по сравнению с табачным дымом.

Для сравнения с загрязнением воздуха в помещениях мы используем для формальдегида рекомендации ВОЗ по качеству воздуха в помещениях (50 мкг на кубический метр), а для ацетальдегида — верхний предел безопасности проекта EU INDEX, составляющий 200 мкг на кубический метр. В качестве суточной дозы при вейпинге мы используем значения 10 самых высоких затяжек, представленные на рисунке 5, умноженные на 20 (чтобы получить 200 затяжек в день). Результат:

Рисунок 6. Сравнение дозы ФА и АПФ при ежедневном использовании электронных сигарет (200 затяжек) и суточной дозы, рассчитанной на основе предельных значений загрязнения воздуха в помещении.

Суточные дозы формальдегида и альдегидов (даже для выбросов) ниже этих безопасных порогов. Для табачного дыма суточная доза этих альдегидов будет значительно превышать пределы безопасности.

Свободные радикалы

Органические молекулы известны как свободные радикалы, когда электрон на внешних энергетических оболочках не имеет электронной пары, что делает их нестабильными и очень реактивными (то есть, вызывает быстрые реакции) с целью получения электронной пары от других молекул. «Атакованные» молекулы теряют свою электронную пару и становятся свободными радикалами, запуская каскад реакций на молекулярном уровне в клетки и органы.

Свободные радикалы также участвуют в естественных биологических процессах (иммунитете), но могут также причинять вред и вызывать заболевания, особенно когда их образование связано с кислородом (активные формы кислорода, ROS) и приводит к «окислительному стрессу» — дисбалансу между свободными радикалами и антиоксидантами на клеточном уровне. В частности, гидроксильный радикал OH(-) может наносить больший биологический ущерб, чем другие активные формы кислорода.

Воздействие дыма и других канцерогенов (а также загрязнения воздуха) усугубляет окислительный стресс. При вейпинге гидроксильные группы могут образовываться на этапах дегидратации пропиленгликоля и глицерина в процессе реакции образования альдегидов, потенциально достигая уровней, сопоставимых с уровнями альдегидных побочных продуктов. Учитывая нестабильность активных форм кислорода, а также быстроту и низкую энергию этих реакций, ожидается гораздо меньшее присутствие гидроксильных групп при вейпинге по сравнению с курением.

Как показано на рисунке 7 ниже, мы проанализировали 4 исследования, посвященных АФК (гидроксильным радикалам) в аэрозолях электронных сигарет. В трех из 4 исследований использовались протоколы затяжек, не соответствующие потребительскому использованию (высокая мощность при низком потоке воздуха и высокой вероятности перегрева). В одном исследовании (Son et al.) протоколы затяжек были более реалистичными, уровни АФК были ниже, чем в сигаретном дыме, приближаясь к последнему только в крайне нереалистичных условиях (1000 затяжек в день с использованием 100% VG-жидкостей для электронных сигарет).

Оксид углерода

Этот летучий газ редко обнаруживается в аэрозолях электронных сигарет. Хотя он может образовываться в результате реакций термического разложения пропиленгликоля (ПГ) и глицерина (ВГ), это происходит только при перегреве. Так было в трех рассмотренных нами исследованиях (см. рисунок 7 ниже).

Обширный обзор литературы

С 2015 года сообщается о повышенном содержании альдегидов (карбонилов в целом) в аэрозолях электронных сигарет. Как показали многочисленные исследования Фарсалиноса и его команды, воспроизводившие эту проблему выбросов (см. резюме в нашем обзоре), все исследования, опубликованные до 2017 года, в которых сообщалось об экстремально высоких уровнях альдегидов (выше, чем в табачном дыме), генерировали аэрозоли в условиях «сухой затяжки». Наш обзор продолжает ранние пересмотры исследований выбросов и (по сути) приходит к тому же выводу, что и эти ранние исследования.

Как и в случае с металлами (см. наш обзор), необходимо и важно убедиться, что эксперименты по выбросам имеют соответствующую конструкцию, с подачей мощности и протоколами затяжек, максимально основанными на потребительском использовании. Себастьян Суле и я опубликовали обширный обзор, включающий 36 исследований, посвященных органическим побочным продуктам в аэрозолях для электронных сигарет.

Мы оценили экспериментальное качество исследований по 4 параметрам:

1. Последовательность экспериментальных действий при разработке протоколов затяжек (режимов вейпинга)
2. Экспериментальная согласованность при настройке диапазона мощности.
3. Воспроизводимость методов генерации аэрозолей и анализа
4. Токсикологическая согласованность (правильный расчет воздействия)

Рисунок 7. Классификация и оценка 30 исследований органических побочных продуктов.

Комментарии в последнем столбце:

• (1) устройство с сопротивлением ниже 1 Ом с использованием CORESTA на высоких мощностях (вероятный перегрев)
• (2) устройство с сопротивлением ниже 1 Ом с рекомендованными CORESTA мощностями (вероятный перегрев)
• (3) другие формы несоответствия протокола
• (4) некорректный расчет экспозиции
• (5) выбросы не были должным образом идентифицированы
• (6) устройства не были полностью идентифицированы (невоспроизводимо)
• (7) мощность тестирования не была определена (невоспроизводимо)
• (8) слишком частые затяжки
• (9) слишком длинные затяжки
• (10) использовались слишком старые устройства (коррозия).

Как и в обзоре исследований металлов, значительная часть исследований (10,33%) выявила чрезмерный уровень побочных продуктов при использовании мощных устройств с воздушными потоками CORESTA или аналогичными CORESTA (номер (1) выше), что неизбежно происходит в условиях перегрева.

Это легко устранимая экспериментальная ошибка, возникающая при тестировании мощных устройств без учета того, что потребители используют их для затяжки «напрямую в легкие», предполагающей большие скорости воздушного потока. Мы обнаружили эту ошибку также в доклинических исследованиях, в которых клеточные линии и грызуны подвергались воздействию аэрозолей, образующихся в условиях перегрева (в настоящее время находится на рецензировании, см. препринт).

К сожалению, существует множество статей и несколько обзоров литературы, посвященных токсичным компонентам (органическим или металлическим) аэрозолей для электронных сигарет, в которых бездумно цитируются результаты исследований выбросов, в которых образовывались перегретые аэрозоли и имелись другие экспериментальные недостатки. Очевидно, что бездумное цитирование этих статей способствует переоценке рисков, связанных с вейпингом.

Выводы и дальнейшие публикации

Эта публикация развивает выводы предыдущей (5) статьи о металлах. Все исследования, сообщающие о превышении токсикологических показателей безопасности органических побочных продуктов, проводились в нереалистичных и ненормальных условиях, приводящих к образованию аэрозолей, отталкивающих пользователей. Некоторые из них имели и другие недостатки в экспериментальном дизайне. Тревожные заявления о рисках для здоровья, связанных с металлами и органическими побочными продуктами в аэрозоле, не подтверждаются высококачественными исследованиями.

В следующих публикациях я опишу наши исследования доклинических испытаний, в которых клеточные линии и грызуны подвергались воздействию перегретых и токсичных аэрозолей, образующихся при использовании устройств с сопротивлением ниже 1 Ом с низкой скоростью воздушного потока (что авторы ошибочно считают «нормальным» использованием). В настоящее время проводится обзор таких исследований. Перегрев с полной уверенностью наблюдается как минимум в 14 исследованиях, и мы выявили еще 67 исследований с тем же экспериментальным недостатком.