Bronkhorst

Die E-Zigarette - Fluch oder Segen? Mit Massendurchfluss auf Spurensuche

15. Oktober 2019 Frau Prof. Aufderheide

Frau Prof. Aufderheide arbeitet seit mehr als 30 Jahren im Bereich der zell-basierten Alternativmethoden mit Forschungsschwerpunkt Inhalationstoxikologie, das heisst, der Wirkung luftgetragener Wirkstoffe auf die Epithelzellen des Atemtraktes. Hierfür hat sie mit ihren Mitarbeitern spezielle Geräte entwickelt, die patentierten CULTEX RFS Module, die eine direkte Behandlung der kultivierten Zellen mit diesen Wirkstoffen erlauben. Die zunehmende Luftverschmutzung der Umwelt und des Arbeitsplatzes verlangen nach derartig neuen Prüfmethoden, um Vorhersagen zum Gefährdungsrisiko solcher Stoffe machen zu können. Die hohe Empfindlichkeit der biologischen Prüfsysteme erfordert einen stabilen und präzisen technischen Aufbau zur Testung der jeweiligen Atmosphäre, wobei neben der CULTEX Technologie die Massenflussregler zur Adjustierung und Kontrolle der Aerosolströme über den Zellen von ausschlaggebender Bedeutung sind.

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Die E-Zigarette

Die Geschichte von uns Menschen ist geprägt von der Empfänglichkeit gegenüber Genussmitteln. Dazu gehören seit der Frühzeit sowohl berauschende Mittel wie z.B. Alkohol, aber auch das Rauchen. Obwohl die gesundheitlichen Risiken jedem von uns bekannt sind, geben „die meisten Menschen ihre Laster erst dann auf, wenn sie ihnen Beschwerden bereiten“ (William Sommerset Maugham).

Insbesondere das Rauchen unterliegt dieser Devise. Es ist allgemein bekannt, dass übermäßiger Rauchkonsum das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen bis hin zum Lungenkrebs erhöht und trotzdem erliegen wir der Versuchung des "blauen Qualms“. Epidemiologische Studien haben uns immer wieder die Schädlichkeit dieser Genusssucht vor Augen geführt, aber der versprochene Verzicht auf die Zigarette scheitert oftmals, trotz der Gewissheit, dass jede Zigarette eine zu viel sein kann.

Hier propagiert die Zigarettenindustrie die E-Zigarette als die Alternative. Bei der Verbrennung von Tabak entstehen tausende von Schadstoffen, die der Raucher natürlich auch einatmet. Bei der E-Zigarette hingegen wird ein Nebel eingeatmet, der keine gesundheitsgefährdenden Produkte eines Verbrennungsprozesses enthalten soll. Dieser "Dampf“ wird aus einer aromatisierten Flüssigkeit (Hauptinhaltsstoffe: Propylenglycol, Glycerin, Ethanol, diverse Aromastoffe und nach Bedarf Nikotin) mit Hilfe eines sogenannten Atomizers erzeugt.

Die elektronische Zigarette wird dementsprechend als "gesündere" Alternative zur herkömmlichen Zigarette und zur Rauchentwöhnung von der Zigarettenindustrie gepriesen. Es wird sehr viel Geld investiert, um wissenschaftlich nachzuweisen, dass die Produkte der E-Zigarette nicht so schädlich sind wie die des Tabakproduktes. Im Prinzip ist diese Aussage richtig. Doch beantwortet sie nicht die Frage nach der Wirkung der "Dampfes“ an sich. Epidemiologische Studien wie zum Zigarettenrauch liegen uns nicht vor und deshalb kann niemand ausschließen, dass übermäßiger- oder Langzeitkonsum unsere Gesundheit gefährden kann.

Die E-Zigarette - Fluch oder Segen? Mit Massendurchfluss auf Spurensuche

Abbildung 1: A. CULTEX®RFS Compact mit 6 Transwell-Positionen, die separat mit der Testatmosphäre beaufschlagt werden. B. Die Testatmosphäre wird unter Steuerung über die Massendurchflussreglers zentral in das Modul geführt, radial zu den Zellkulturgefäßen verteilt und kontinuierlich über die Zellen gesaugt.

 

In-vitro-Untersuchungen

Wie kann ich mich nun einer solchen Frage nähern? Es bleibt nur die Durchführung von In-Vitro-Untersuchungen. Hierfür benutzen wir lebende Zellkulturen als Alternative zu Tierversuchen.

Inhalierte Wirkstoffe treffen in der Lunge zunächst auf die sie auskleidenden Epithelien. Diese sind aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut, die aufgrund ihrer speziellen Funktionen der Abwehr bzw. Inaktivierung der inhalierten Stoffe dienen. Hier finden wir Schleim-produzierende Zellen, die mit ihrem Sekret solche Schadstoffe "abfangen“, als auch Zilien- tragende Zellen, die diesen Schleim dann abtransportieren können. Andere Zellen dienen der Entgiftung und in einem intakten Körper verfügen wir über ausreichend Ersatzzellen, die geschädigte oder abgestorbene Zellen in ihren Funktionen ersetzen können. Im Bereich der Zell-basierten Forschung können wir derartige Zellpopulationen vom Menschen für die Forschung zur Verfügung stellen (siehe Abbildung 2A). Die Zellen werden in sogenannten Transwells auf mikroporösen Membranen kultiviert, wobei sie von der Unterseite über die Membran mit Nähstoffen versorgt werden, während der apikale (äußere) Teil der Kultur mit der umgebenden Atmosphäre reagieren kann.

Die E-Zigarette - Fluch oder Segen? Mit Massendurchfluss auf Spurensuche

Abbildung 2: Querschnitt durch Zellkultur-Insert-Membranen mit HE (Hematoxylin und Eosin) gefärbten, immortalisierten NHBE-Zellen (CL-1548). Nach 21 Tagen Kultivierung an der Luft-Flüssigkeits-Interface wurden die Zellen wiederholt (täglich für fünf Tage und nach einer Erholungsphase von zwei Tagen wieder an drei aufeinanderfolgenden Tagen, maximaler Expositionszyklus: 8 Rauchexpositionswiederholungen) sauberer Luft (CA), Mainstream-Zigarettenrauch (CS; 4x K3R4F-Zigaretten pro Lauf nach ISO 3308, University of Kentucky, Lexington, KY, USA) und E-Liquid Dampf (EC) ohne Nikotin (Tennessee Cured, Johnsons Creek, Hartland, WI, USA) ausgesetzt. K3R4F Zigaretten wurden von einem Rauchroboter geraucht und wie folgt bedient: 24 Züge mit einem Volumen von 35 mL in 2 s, einer Ausblaszeit von 7 s und einem Zugabstand von 10 s. Der elektronische Zigarettentyp InSmoke Reevo Mini (InSmoke Shop, Schweiz) wurde vergleichbar behandelt: 50 Züge (Volumen 35 mL, Zugdauer 2 Sekunden, Low-Out-Zeit von 7 Sekunden) mit einem Zugintervall von 10 s.

Massendurchflussregler – Die Wächter der Zellexposition

Hier haben wir über Jahre effiziente Expositionssysteme für Zellen entwickelt, die sogenannten CULTEX®RFS Module, die eine direkte, stabile und reproduzierbare Exposition von kultivierten Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (Air-Liquid Interface - ALI) erlauben (siehe Abbildung 1A). Speziell diese Stabilität ist der Garant für aussagekräftige Ergebnisse und wird zum Einen durch das aerosolphysikalisch abgestimmte Design der CULTEX®RFS Module als auch durch den Einsatz der Computer-gesteuerten Massendurchflussregler (IQ+FLOW Serien und EL-FLOW Select Serien der Firma Bronkhorst) garantiert, die in Steuerung und Auslegung den Bedürfnissen einer zellbasierten Exposition angepasst sind. Die Durchflussregelung sorgt für eine genaue und reproduzierbare Atmosphäre zur Exposition der Zellen an den Testgasen. Erst diese Robustheit im Experimentalaufbau liefert uns Ergebnisse, die Rückschlüsse auf die Wirkung der jeweiligen Testatmosphäre ermöglichen. In diesem Fall wurde der E-Zigarettendampf (50 Züge pro Behandlung) und im Vergleich dazu normaler Zigarettenrauch (24 Züge pro Behandlung) druckfrei über die differenzierten Zellen gezogen, wobei die Zellen über 8 Tage der jeweiligen Behandlungsdosis ausgesetzt waren. Als Kontrolle dienten mit Reinluft behandelte Zellen.

Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 zusammengefasst und brachten erstaunliches zu Tage. Der Vergleich der histologischen Präparate der mit Rauch und E-Zigaretten Dampf behandelten Zellen zur Reinluftkontrolle zeigte, dass Zigarettenrauch – wie erwartet - eine deutliche Reduktion sowohl in der Schleimproduktion als auch der Zilienanzahl und -ausprägung erzeugte. Aber, ein vergleichbarer wenn auch weniger ausgeprägter Effekt konnte auch für das e-Liquid Aerosol nach dieser Behandlungsperiode beobachtet werden. Im Vergleich zu den mit Reinluft behandelten Zellen haben wir hier eine signifikante Wirkung, die uns auf jeden Fall zu denken geben muss. Die Aussage „der Dampf ist weniger wirksam als Rauch“ darf nicht mit der Schlussfolgerung assoziiert werden, das der Dampf keine Wirkung hat. In Zukunft muss man sich dieser Problematik annehmen, um Langzeitschäden prophylaktisch begegnen zu können.

Unsere Massendurchflussregler


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