Analysis of e-cigarette liquids and effects on a cellular and molecular level

Abstract

Electronic cigarettes (e-cigarettes) have been developed as tobacco harm reduction products, however the liquid components undergo thermal degradation and can lead to the production of potentially toxic compounds. This thesis aimed to provide a comprehensive assessment of carbonyl emissions (formaldehyde, acetaldehyde, and acrolein) from e-cigarette liquids by systematically evaluating the influence of device technology, power settings, and flavor profiles under various laboratory conditions. A central methodological theme was the differentiation between realistic use conditions, verified by experienced users to be free of the aversive "dry puff" phenomenon, and unrealistic overheating conditions that have confounded previous research. Furthermore, the cytotoxic potential of e-cigarette liquid aerosol was examined for three flavoring categories in cultured cardiomyoblasts. In total, seven experiments were performed. The results unequivocally demonstrate that the occurrence of "dry puffs" is the single most critical determinant of high carbonyl emissions, leading to exponential increases in toxicants by orders of magnitude. Conversely, under realistic use conditions, the influence of increasing power settings or the presence of different flavor profiles on carbonyl emissions was found to be minimal and of questionable clinical significance, particularly for modern devices. For the latter, and across all realistic use scenarios, carbonyl exposure was dramatically lower—by 90% to over 99%—than those from combustible tobacco cigarettes. While emissions were consistently below occupational exposure limits, daily exposure to acrolein, exceeded the most stringent chronic indoor air quality guidelines, but did not exceed exposure based on commonly measured indoor levels. No cytotoxicity was observed in any of the flavoring categories, in contrast with the strong cytotoxicity that has been observed with tobacco cigarette smoke. In conclusion, this research establishes that modern e-cigarettes, when used properly, offer a massive reduction in exposure to carbonyl toxicants compared to smoking. The primary risk of high carbonyl emissions stems not from power or flavors per se, but from unrealistic overheating conditions that users instinctively avoid. Meaningful risk assessment is only possible when laboratory protocols are designed to reflect the reality of human use. Furthermore, the e-cigarette aerosol is substantially less cytotoxic that tobacco cigarette smoke, without differences between the most popular flavoring categories. These results strongly support the role of e-cigarettes as a harm reduction tool. While they represent a significantly less harmful alternative to combustible tobacco, they are not risk-free, and their use should be targeted to smokers as a substitute rather than being promoted as a consumer product for the general population.

Τα ηλεκτρονικά τσιγάρα έχουν αναπτυχθεί ως προϊόντα ελάττωσης της βλάβης από το κάπνισμα, όμως τα συστατικά των υγρών υπόκεινται θερμική αποδόμηση που οδηγεί σε παραγωγή δυνητικά τοξικών ενώσεων. Η παρούσα διατριβή είχε ως στόχο την ολοκληρωμένη αξιολόγηση των εκπομπών καρβονυλικών ενώσεων (φορμαλδεΰδη, ακεταλδεΰδη και ακρολεΐνη) από τα υγρά αναπλήρωσης των ηλεκτρονικών τσιγάρων, μέσω της συστηματικής εκτίμησης της επίδρασης της τεχνολογίας των συσκευών, των ρυθμίσεων ισχύος και του προφίλ των αρωματικών ουσιών υπό διάφορες εργαστηριακές συνθήκες. Κεντρικό μεθοδολογικό θέμα αποτέλεσε η διαφοροποίηση μεταξύ των ρεαλιστικών συνθηκών χρήσης, οι οποίες επαληθεύτηκαν από έμπειρους χρήστες ως απαλλαγμένες από το δυσάρεστο φαινόμενο της «ξηρής τζούρας» (dry puff, του φαινομένου δυσάρεστης/αποκρουστικής γεύσης που οφείλεται σε υπερθέρμανση λόγω ελλιπούς τροφοδοσίας του ατμοποιητή με υγρό), και των μη ρεαλιστικών συνθηκών υπερθέρμανσης που έχουν προκαλέσει σύγχυση σε προηγούμενες έρευνες. Επιπλέον, μελετήθηκε η κυτταροτοξικότητα του αερολύματος από τρεις κατηγορίες αρωμάτων σε καλλιέργειες καρδιομυοβλαστών. Συνολικά, πραγματοποιήθηκαν επτά πειράματα. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η εμφάνιση της «ξηρής τζούρας» είναι ο μοναδικός και κρισιμότερος καθοριστικός παράγοντας για τις υψηλές εκπομπές καρβονυλικών ενώσεων, οδηγώντας σε εκθετική αύξηση της έκλυσης καρβονυλικών ενώσεων. Αντιθέτως, υπό ρεαλιστικές συνθήκες χρήσης, η επίδραση της αύξησης της ισχύος ή της παρουσίας διαφορετικών αρωματικών προφίλ στις εκπομπές βρέθηκε ελάχιστη και αμφίβολης κλινικής σημασίας, ιδιαίτερα για τις σύγχρονες συσκευές. Για τις τελευταίες, και σε όλα τα σενάρια ρεαλιστικής χρήσης, η ημερήσια έκθεση σε καρβονυλικές ενώσεις ήταν δραματικά χαμηλότερη—κατά 90% έως και πάνω από 99%—σε σχέση με την έκθεση από τα τσιγάρα καπνού. Ενώ οι εκπομπές ήταν σταθερά κάτω από τα όρια έκθεσης στο εργασιακό περιβάλλον, η ημερήσια έκθεση σε ακρολεΐνη υπερέβαινε τις πιο αυστηρές κατευθυντήριες γραμμές για τη χρόνια έκθεση σε εσωτερικούς χώρους, αλλά δεν υπερέβαινε την έκθεση που αντιστοιχεί στα συνήθως μετρούμενα επίπεδα σε εσωτερικούς χώρους. Δεν παρατηρήθηκε κυτταροτοξικότητα σε καμία από τις κατηγορίες αρωμάτων σε καρδιομυοβλάστες, σε αντίθεση με τη σοβαρή κυτταροτοξικότητα που έχει παρατηρηθεί με τον καπνό του συμβατικού τσιγάρου. Συμπερασματικά, η παρούσα έρευνα τεκμηριώνει ότι τα σύγχρονα ηλεκτρονικά τσιγάρα, όταν χρησιμοποιούνται σωστά, προσφέρουν τεράστια μείωση στην έκθεση σε καρβονυλικές τοξικές ουσίες σε σύγκριση με το κάπνισμα. Ο πρωταρχικός κίνδυνος υψηλών εκπομπών καρβονυλικών ενώσεων δεν προέρχεται από την ισχύ ή τις αρωματικές ουσίες καθαυτές, αλλά από τις μη ρεαλιστικές συνθήκες υπερθέρμανσης που οι χρήστες ενστικτωδώς αποφεύγουν. Η ουσιαστική αξιολόγηση κινδύνου είναι εφικτή μόνο όταν τα εργαστηριακά πρωτόκολλα σχεδιάζονται για να αντικατοπτρίζουν την πραγματικότητα της ανθρώπινης χρήσης. Ταυτόχρονα, το αερόλυμα του ηλεκτρονικού τσιγάρου εμφανίζει σημαντικά μικρότερη κυτταροτοξικότητα σε σχέση με τον καπνό του τσιγάρου, χωρίς σημαντικές διαφορές μεταξύ των πιο δημοφιλών κατηγοριών αρωμάτων. Τα δεδομένα αυτά υποστηρίζουν ισχυρά το δυναμικό τους των ηλεκτρονικών τσιγάρων ως εργαλεία μείωσης της βλάβης. Παρόλο που αποτελούν μια λιγότερο βλαπτική εναλλακτική λύση έναντι του καπνίσματος, δεν είναι ακίνδυνα, και η χρήση τους θα πρέπει να απευθύνεται σε καπνιστές ως υποκατάστατο και όχι να προωθείται ως καταναλωτικό προϊόν στον γενικό πληθυσμό.