中国科学院深圳先进院刘欣安和陈祖昕团队系统评估电子雾化溶剂PG/VG吸入毒理
by 管理员 | 2024-01-29
中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院刘欣安课题组和陈祖昕课题组于2024年1月26日在Ecotoxicology and Environmental Safety上在线发表了题为“Conventional and Multi-omics Assessments of Subacute Inhalation Toxicity Due to Propylene Glycol and Vegetable Glycerin Aerosol Produced by Electronic Cigarettes”的研究论文。研究团队通过传统吸入毒理的研究方法结合前沿多组学关联分析，在动物模型上深入研究了电子雾化常用载体溶剂PG/VG本身的毒性及作用机制。
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近年来，随着电子雾化技术的快速发展，各种电子雾化产品在国内外大量涌现，其中包括在国内合法销售的含有尼古丁的电子烟。此外，电子雾化技术作为一种新型肺部给药途径在医疗领域的潜在应用也有越来越多的报道。丙二醇（PG）和植物甘油（VG）是电子雾化器中最常用的载体溶剂。PG/VG在经过电子雾化器加热后产生的气溶胶不仅包含纯PG和VG，还可能产生一些有毒有害的物质，如醛类化合物等。因此，PG/VG长期暴露是否具有健康风险引起了广泛关注。但目前尚未有定论。此外，以往的毒理研究大都采用气道灌注液体PG/VG等形式进行，并不能模拟人群吸入PG/VG气溶胶的使用方式。并且，很多研究只通过传统毒理学方法评估PG/VG对呼吸系统的影响，缺少对多器官多系统的整体评估，以及对更深层面如基因、蛋白、代谢等分子水平影响的深入了解。本项目基于以上研究背景，通过结合传统吸入毒理学和前沿多组学关联网络分析方法，深入研究了电子雾化PG/VG气溶胶慢性暴露对大鼠潜在的毒性影响及作用机制。
课题组首先通过体外实验对电子雾化PG/VG溶剂产生的气溶胶理化特性进行表征，包括醛类化合物的释放量、气溶胶粒径分布以及电子雾化PG/VG溶剂时的雾化温度等。实验结果显示，电子雾化PG/VG后产生的气溶胶中存在微量的甲醛、乙醛和丙烯醛，每次雾化产生的平均甲醛、乙醛和丙烯醛量分别为49 ng/puff，25 ng/puff和14 ng/puff。此外，电子雾化PG/VG气溶胶的平均体积中值直径（DV50）为0.46 µm。实验结果显示电子雾化器产生的气溶胶温度适宜，粒径较小，这些数据表明PG/VG气溶胶能深度渗透在人体呼吸系统中。
图1. 电子雾化载体溶剂PG/VG的吸入毒理系统评估
随后，课题组采用大鼠模型对电子雾化PG/VG气溶胶进行了为期28天的吸入毒性评估。实验设计让大鼠口鼻吸入3 mg/L PG/VG的电子雾化气溶胶，每天持续暴露6小时，连续暴露28天。通过人体和大鼠间吸入量转换的计算，得出人体等效吸入剂量（HED）为130 mg/kg/天。这项研究能够模拟电子烟吸入人体的上限，并能反映人体长期吸入电子雾化PG/VG气溶胶的潜在危害。在28天暴露后，按照传统毒理学评估的手段进行了系统毒理学分析，包括各项生理指标﹑血液生化指标﹑各脏器组织病理学毒理分析等。结果表明,相比于空气暴露组，PG/VG气溶胶暴露组大鼠体重有显著降低，并且伴随着大鼠摄食量的减少，这与之前报道一致。推测大鼠的体重减轻可能与大鼠在鼻吸入暴露塔中由于束缚产生应激反应，以及PG/VG气溶胶的刺激性和电子雾化气溶胶中微量醛类化合物的综合效应有关。同时，实验结果显示，与空气暴露组相比，PG/VG气溶胶暴露组大鼠的特定血液学和生化指标产生了变化，而这些参数大部分在恢复期后达到正常水平。与空气暴露组相比，PG/VG气溶胶暴露组大鼠在肝脏、肾脏、肾上腺、脾脏、睾丸、脑、心脏、胸腺、肺、气管、膀胱、眼、喉部、淋巴结和鼻咽等31个器官的组织病理学检测中，除了大鼠出现了轻度的喉部鳞状上皮化生外，其余未发现异常。喉部鳞状上皮化生是大鼠吸入电子雾化气溶胶的适应性反应。由此，大鼠28天吸入毒性的评估表明，电子雾化PG/VG气溶胶并未对大鼠的器官和组织中产生明显的病理变化及毒副作用。
接着，课题组结合包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学的多组学方法，评估对肺部基因、细胞和组织的潜在毒理效应。结果显示，PG/VG暴露组和空气组相比，共检测出110个差异表达基因(DEGs)；6365种差异蛋白质，包括显著上调23个，显著下调64个；代谢组分析筛选出62种差异代谢物。其中，上调的代谢物48种，下调代谢物14种。富集的KEGG通路包括病毒感染、吞噬体、细胞因子和免疫网络。为鉴定潜在的分子改变，将PG/VG气溶胶暴露后肺部基因及蛋白表达的变化和代谢物改变进行关联分析的桑基图显示，在差异基因和差异代谢物之间的关联中，GIra1基因和代谢产物前列腺素I2都参与了神经活性配体-受体相互作用通路；相关基因Ephx2和代谢产物前列腺素I2均参与了花生四烯酸的代谢途径；Ephx2基因及其代谢物11b-PGF2a也被检测到与花生四烯酸代谢途径相关。在差异基因与差异蛋白的关联分析中，Dntt基因与MHC class II类抗原均参与造血细胞谱系代谢途径。因此，PG/VG气溶胶暴露可能通过上述途径影响肺组织相关分子的变化。
图2. 多组学关联网络分析揭示PG/VG气溶胶暴露对肺部组织的影响机制
综上所述，研究人员运用大鼠28天PG/VG气溶胶暴露模型，通过结合传统经典吸入毒理评估及肺部多组学分析，结果发现经典毒理学无阳性改变体征，而多组学联合分析揭示其潜在影响包括花生四烯酸代谢，神经活性配体-受体相互作用，以及造血细胞谱系相关分子通路改变。该研究揭示了电子烟油中与尼古丁无关的潜在健康风险，提示开发更安全的电子雾化物质溶剂的必要性及运用新的技术对传统毒理评估手段（OECD GUIDELINE FOR THE TESTING OF CHEMICALS）进行不断完善。此外，根据已有研究报道，电子雾化器具本身在加热过程中也可能产生有害物质，因此，对于电子雾化器具的安全性以及合规化值得进一步重视。团队成员也努力与深圳市宝安区政府等合作推动建立面向国际的雾化物质安全评估平台。
深圳先进院刘欣安副研究员、陈祖昕副研究员和深圳市合元科技的卢禁博士为该论文的共同通讯作者，深圳市合元科技的楚明博士（深圳先进院脑所博士后，已出站）和深圳先进院脑所研究助理王若曦为共同第一作者，深圳先进院景晓源和徐智彬参与了这项工作。湖北省疾病预防控制中心裴兰洁和武汉大学人民医院病理科曾智博士对此项工作提供技术支持。深圳先进院为论文第一单位。该研究工作得到深圳先进院发展处的大力支持。感谢国家自然科学基金﹑广东省自然科学基金及院企联合实验室等研究计划对本项工作的资助。