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2019 年美国爆发的 “使用电子烟或电子雾化产品造成肺损伤” (e-cigarette, or vaping, product use associated lung injury,EVALI)影响了许多年轻人;超过一半的人年龄在25 岁以下。5尽管这很可能是由添加了维生素 E 醋酸盐的含有四氢大麻酚(THC)的电子烟引起的,5但这一事件加剧了公众对同时发生的青少年电子烟流行的担忧,且越来越多的科学证据支持了这一观点,电子烟远非安全。6

可燃香烟与电子烟

电子烟含有电池供电的加热元件,通常是一个金属线圈,它可以加热一种混合了溶剂、尼古丁和调味化学品的 “电子液体”。使用者将电子液产生的气溶胶吸入肺部。制造商不需要公开电子液体中的成分(尽管他们必须向 FDA 报告),而且很多品牌标签上和实际尼古丁含量之间存在很大的差异。7,8,9,10
2006 年电子烟进入美国市场。11随着时间的推移,其设计发生了很大的变化。第一代 “仿真烟” 类似于真正的香烟;第二代笔状电子烟配有可充电电池和可填充暗盒;第三代 “mods” 有更大的容量,有可变电压设置和其他可调功能;体积更小的第四代电子烟(包括 JUUL ®)配备了一次性或可再填充暗盒,但手动调节的设置很少(如果有的话)。11
然而,尽管这个市场复杂多样,但原理很简单。 “电子烟不过就是一个化学反应堆。” 弗吉尼亚联邦大学(Virginia Commonwealth University)健康心理学教授 Thomas Eissenberg 说道。电子烟的功率(以瓦特为单位)是电池电压和线圈电阻的相互作用。许多电子烟的功率在 5 到10 W之间,最高可达 200 W。12据Eissenberg 介绍,电子烟的功率可能对使用者暴露于尼古丁和其他有毒物质的影响最大。 “你投入到反应堆的能量越多,电子液体成分热降解成有害化学物质的可能性就越大。” 他说道。
由于大功率的电子烟每口抽吸时能雾化更多的液体,13,14,15因此抽吸电子烟时血浆中的尼古丁含量会迅速上升。一些研究表明,一支电子烟所释放的尼古丁量与一支可燃香烟相等,在某些情况下甚至更高。16,17此外,一些品牌(最著名的 JUUL®)在他们的电子液体中使用口感柔和的质子化尼古丁( “尼古丁盐”)。18将尼古丁与弱酸结合会产生尼古丁盐,这比苦味的无碱(未质子化的)尼古丁能形成更美味的烟雾。10也有证据表明,尼古丁盐配方与尼古丁产量或暴露量的增加,19,20以及尼古丁快速吸收相关。21
在过去几十年里,美国吸烟人数的下降很大程度上归因于烟草控制措施,如香烟税、禁烟令以及健康教育运动。22在美国,20 世纪 60 年代超过 55% 的男性和 35% 的女性吸烟,而在 2018 年只有 13.7% 的成年人吸烟。23全球范围内,以年龄标准化计算 2015 年每日吸烟率估计男性为25.0%,女性为 5.4%。24大多数男性吸烟率明显超过全球平均水平的国家在中欧、东欧、中国以及东南亚。而西欧和中欧女性的吸烟率高于全球平均水平。24
自2011 年以来,美国高中生的吸烟率有所下降。25与此同时,最近报告使用电子烟的高中生比例从 2011 年的1.5% 上升到 2019 年的 27.5% 。26此外,有10.5% 的初中生称他们目前有吸电子烟,这使得电子烟成为美国青少年中最受欢迎的尼古丁享用装置。26尽管 2018 年只有 3.2% 的成年人表示他们偶尔或每天吸电子烟,23但也有报告显示,成年人电子烟的使用呈上升趋势。27
2015 年推出的 JUUL® 电子烟,其受欢迎程度尤其显著。到2019 年,分别有 59% 和54% 的美国高中和初中电子烟用户选择 JUUL® 作为他们的常用品牌。26其时尚和易于隐藏的设计,18以及其吸引人口味的针对性营销策略(最近受到监管部门审查28),使该品牌深受青少年的欢迎。18,29
调查显示,可选择不同的口味是电子烟对这个年龄段最吸引人的特点之一。30其结果是,青少年时期吸电子烟会增加他们在日后吸烟的可能性,无论是否同时使用电子烟。31,32,33一项综述研究发现,美国和其他几个国家的青少年、男性和白色人种比其他群体更有可能消费电子烟。34与香烟相比,电子烟具有金属、溶剂和调味化学品独特的毒性。35这3类均被报告有危害健康的证据。

电子烟中的金属

约翰·霍普金斯大学环境健康与工程助理教授 Ana Mar ía Rule 从2014 年开始测量电子烟中的金属含量。她最先开始研究电子液体,其次是气溶胶和使用者样本,包括尿液、唾液和呼出的冷凝物。
她的研究和其他研究表明,镍和铬是对电子烟使用者关系重大的金属暴露物。36,37,38,39,40,41,42,43使用者尿液和唾液样本中的镍和唾液样本中的铬与电子烟气溶胶中的金属浓度密切相关。44尽管这类暴露对人类健康的影响只能在长期研究中确定,但六价铬和一些镍化合物是已知的肺癌致癌物。45,46
全新的加热线圈比旧的释放出更多的金属粒子。但这只是单个设备(电子烟)影响金属总排放量的其中一个特征。Image: © iStockphoto/gawriloff.
在电子烟气溶胶中也检测到了其他金属,尽管它们的含量比镍和铬变化更大。它们包括铜、锌、锰、砷等。35金属来源可能是线圈,特别是镍和铬、焊接和接线,以及电子烟主体。42,47烟叶也含有多种不同浓度的重金属。48,49然而,电子烟制造商声称,他们使用的是高度纯化的药物级尼古丁电子液,35而烟叶可能只用于烟草调味产品。
每个电子烟的特征可以影响使用者吸入的金属量。42“我们预计旧线圈会释放出更多的金属,但实际上却恰恰相反,” Rule 说道。 “全新的线圈释放的金属最多。” 她解释说,线圈每次加热都会退化一点。随着时间的推移,热量分解了最初用来制造线圈的原始金属合金。Rule 还发现,由于氧化残留物的堆积降低了线圈的加热效率,用户往往会频繁更换线圈。这意味着需要更多次吸入来摄入等量的尼古丁。
金属排放也可能受到电子烟瓦特数的影响。一项研究表明,一些金属的气溶胶浓度随瓦特数的增加而升高,但在某一点后趋于稳定甚至下降。42目前正在研究电子液 pH 值的显著变化是否会影响金属排放,50,51Rule 说道。
她还指出了其他潜在的相互作用。 “常见的调味化学品的吸入可能有助于把金属带入大脑和心脏组织细胞,” 她说道。例如麦芽酚,电子烟中一种常见的调味化学品,非常容易与铁结合。52“我认为这是一个迫切需要更多研究的领域,” Rule 说道。

电子液中的溶剂

电子液中的溶剂通常是丙二醇(propylene glycol,PG)和植物甘油(vegetable glycerol,VG)按不同比例混合而成的。10研究人员已对这些溶剂的吸入毒性产生担忧,即使没有尼古丁和调味化学品。35
当PG 和VG 受热时,分解产物包括3种醛类:甲醛、丙烯醛和乙醛。53,54作为羰基化合物的主要部分,这些有毒物质也存在于烟草烟雾中。一些电子烟气溶胶含有甲醛半缩醛(formaldehyde hemiacetals),这是最近发现的一种甲醛形式,它可能比气态甲醛更易深入地沉积在肺部。53,55
当前市场上的溶剂混合物的比例有 100% 的PG、PG 和VG 各占 50% ,以及 100% 的VG。10研究表明,VG 含量较高的电子液比 PG 含量较高的电子液产生更多的甲醛和丙烯醛,特别是在大功率条件下。这可能会使电子烟使用者比吸烟者暴露于更高的醛水平下,10,56,57,58而且这对 “腾云驾雾者” 来说是令人担忧的,他们更喜欢含有大量 VG 的电子液,因为它们会产生更大、更明显的烟云。10另一方面,研究表明,较高的 PG 含量可增强尼古丁向血液中释放,可能会加快成瘾发展的速度。59
制造商和电子烟使用者,用PG 和VG (也称为植物甘油或甘油)按不同比例调制溶剂,从电子液中获得理想效果。这些包括口味的强度、“喉咙冲击” 的强度(或吸入尼古丁的感觉),以及由此产生的烟云大小。112Image: CC0 Public Domain.
在对溶剂的详细分析中,研究人员对几组小鼠进行了为期 4 个月的实验,分别将它们置于以下 4 种暴露类别:60 PG/40 VG 比列混合物中的气溶胶,含或不含尼古丁;香烟烟雾;或室内空气。60与烟雾暴露的动物不同,气溶胶暴露的小鼠没有出现肺部炎症或肺气肿。然而,它们确实出现了肺上皮细胞和常驻免疫细胞的变化,使它们比呼吸室内空气的小鼠更容易感染流感。
PG 和VG 添加剂是公认的安全的食品乳化剂。61,62它们也用于化妆品。然而,当吸入时它们的乳化特性似乎促进了肺细胞中不同脂质的聚积,而这一特征并没有在烟草烟雾暴露组的小鼠中观察到。60这项研究的发现是全新的,但与先前报道的仅暴露于溶剂气溶胶中的人类肺组织的变化一致。63,64作者总结道,他们的发现 “拉响了对[电子烟]可能对肺泡产生的潜在有害影响的警报”,60并呼吁对吸入溶剂进行进一步的毒性研究。

调味化学品与溶剂的相互作用

荷兰比尔特霍芬(Bilthoven)国家公共健康与环境研究所(National Institute for Public Health and the Environment)化学家、资深科学家 Reinskje Talhout 认为,调味电子烟最主要的问题是它们掩盖了尼古丁的味道。 “这使得产品对新用户更有吸引力,” Talhout 说道。
另一个问题是口味背后的化学成分。在美国65和欧洲66市场中,这几百种不同化学物质的组合产生了数千种口味, Talhout 说道。此外,Ilona Jaspers 指出,在复杂的电子液环境中,混合这些化学物质可能产生二级和三级反应产物。 Jaspers 是北卡罗莱纳大学教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill)微生物和免疫学系以及北卡罗莱纳大学医学院(UNC School of Medicine)儿科系的教授。
与溶剂类似,在早期电子烟研究之前,食品和化妆品中的调味化学品可能普遍被认为安全,故没有经过吸入毒性测试。67,68,69当Jaspers 和其他研究人员67,68,69意识到青少年使用电子烟的增长趋势后,他们开始研究人体细胞中的调味化学品。
对于 Jaspers 来说,肉桂醛(cinnamaldehyde)是第一个突出的化合物。它是几种流行口味中常见的成分,对直接暴露在电子液中的人类肺细胞显示出强烈的细胞毒性作用。70“最初我们很惊讶,” Jaspers 回忆道。 “但作为一种芳香 α,β-不饱和醛类,又非常合理,因为这是一个非常非常活跃、对健康有很大影响的化学物质。” 其他已知的 α,β-不饱和醛类具有显著的化学反应性,包括丙烯醛,她说道。
有关使用者的电子烟偏好和习惯的研究表明,他们在描述口味方面缺乏一致性。2018 年,研究人员开发了一个 “口味转盘”,由13 个主要类别和 90 个子类别组成。113通用的口味分类词可以更容易地比较跨研究的结果。