The impact of E-cigarette aerosols in lung development

Abstract

Smoking is a major public health issue associated with high mortality rates. Currently, new nicotine delivery systems have been developed aiming to overcome the well-known toxic effects of conventional cigarettes (c-cig). Electronic cigarettes (e-cig) are advertised as a healthier way to smoke and are becoming popular worldwide. E-cigs vaporize a liquid creating an aerosol that reaches the lung and, subsequently, its components move to the bloodstream thus influencing other tissues. Recent studies have shown that c-cig smoke and nicotine exposure affects lung development, however, the effect of e-cig aerosol in lung development is less known so far. Macrophages are the innate immune cells that serve as the first line of defense against toxic substances, e.g. smoking and vaping particles. Several studies revealed that smoking alters macrophage function due to its toxicity. In fact, smoking-related conditions, such as chronic obstructive pulmonary disease, present an altered innate immunity profile. In this sense, the aim of this work was to compare the potential effect of e-cig aerosol and c cig smoke in chick lung development and in macrophage survival. The chick model is a good option to study lung development since it presents both morphological and molecular similarities with the mammalian embryo, in early developmental stages. For this purpose, a smoke/aerosol system was optimized to obtain a saturated culture medium. Then, the exposed medium was used to perform in vitro chick lung explants and to grow a macrophage cell line. The impact of aerosol/smoke in lung development was evaluated by morphometric analysis and toxicity assays (extracellular LDH activity and TNF-Ƚ release). The impact of aerosol/smoke in macrophages was assessed by cell viability assays (MTT and LDH). Comparing to control, e-cig aerosol leads to a decrease in lung size of approximately 10% and increases pro-inflammatory cytokine release about 7 times. Regarding c-cig smoke, e-cig aerosol has a less harmful impact in lung growth with an increase between 12 and 30% in morphometric parameters. The viability of the macrophages exposed to e-cig aerosol suggests that metabolic viability is altered, however, it seems that aerosol does not promote cell damage. This work shows, for the first time, that e-cigs affects lung development, however, the effect is less severe than c-cig. E-cig and c-cig have an impact in macrophages viability, although e-cig aerosol effect is not as exacerbated as c-cig smoke.

O tabagismo é um problema de saúde pública associado a elevadas taxas de mortalidade. Recentemente, foram desenvolvidos novos sistemas de libertação de nicotina para substituir os cigarros convencionais (c-cig) e assim evitar os seus efeitos nocivos. Os cigarros eletrónicos (e-cig) são publicitados como uma alternativa menos nociva que o tabaco convencional e, por esse motivo, a sua utilização é cada vez mais frequente. O e-cig vaporiza um líquido criando um aerossol que é inalado, atinge os pulmões e, posteriormente, passa para a corrente sanguínea alcançando outros tecidos. Estudos recentes mostraram que a exposição à nicotina e ao fumo do cigarro prejudicam o desenvolvimento pulmonar. No entanto, o efeito do aerossol do e-cig no desenvolvimento pulmonar ainda não é conhecido. Os macrófagos são um tipo celular, pertencente à imunidade inata, que atua como a primeira linha de defesa contra substâncias tóxicas tais como, por exemplo, o fumo do tabaco ou o aerossol do e-cig. Estudos anteriores mostraram que o tabaco altera a função dos macrófagos devido à sua toxicidade. Por outro lado, há estudos que sugerem que o aerossol do e-cig provoca o mesmo efeito. Na verdade, o tabagismo está associado a doenças pulmonares, tais como a doença pulmonar obstrutiva crónica, que apresentam um perfil alterado da imunidade inata. Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi comparar o potencial efeito do aerossol do e-cig com o fumo do tabaco no desenvolvimento pulmonar de galinha, e na sobrevivência dos macrófagos. O modelo de galinha surge como uma alternativa válida para avaliar o pulmão em desenvolvimento, visto que apresenta semelhanças morfológicas e moleculares com o embrião de mamífero, nos primeiros estadios do desenvolvimento. Para este propósito, foi necessário otimizar um sistema de aquisição de fumo/aerossol de forma a obter meio de cultura saturado. Posteriormente, este meio foi utilizado para realizar culturas de explantes de pulmão de galinha in vitro, e culturas de uma linha celular de macrófagos. Os efeitos no desenvolvimento pulmonar foram avaliados pela análise morfométrica e também por ensaios de toxicidade (atividade da LDH extracelular e libertação de TNF-Ƚ). Por outro lado, ensaios de viabilidade celular (MTT e atividade da LDH extracelular) foram realizados na linha celular de macrófagos. Comparando com o controlo, o aerossol diminui o tamanho do pulmão em aproximadamente 10%, e aumenta em 7 vezes a libertação de citocinas pro-inflamatórias. Em relação ao fumo do c-cig, o aerossol do e-cig tem um efeito menos prejudicial no crescimento pulmonar, com um aumento dos parâmetros morfométricos entre 12 a 30%. A viabilidade dos macrófagos expostos aos aerossóis do e-cig sugere que a viabilidade metabólica pode estar alterada, no entanto, o aerossol parece não provocar danos celulares. Este trabalho mostrou, pela primeira vez, que o aerossol do e-cig afeta o pulmão em desenvolvimento, no entanto, o seu efeito é menos agressivo que o fumo do c-cig. O e-cig e o c-cig têm impacto na viabilidade dos macrófagos, no entanto, o efeito do e-cig não é tão exacerbado como o do c-cig.