Resumen
Antecedentes
Poco se sabe con respecto a los efectos pulmonares inducidos por la inhalación de los aerosoles de cigarrillos electrónicos con sabor a mentol en la exacerbación del asma, a pesar de la popularidad de estos dispositivos y sabores entre jóvenes y adultos jóvenes. En los pulmones, la metaloproteinasa de matriz 12 (MMP12) expresada y secretada por los macrófagos alveolares y las células epiteliales bronquiales juega un papel esencial en la remodelación de las vías respiratorias, una característica clave del asma severa. En este estudio, investigamos el papel de MMP12 en las exposiciones asmáticas inducidas por el cigarrillo electrónico con sabor a mentol más respuestas asmáticas inducidas por el ácaros de la casa (HDM).
Métodos
Expusimos ratones de tipo salvaje (WT) y MMP12 Knockout (KO) jóvenes a aerosoles de cigarrillo electrónico con sabor a mentol bien caracterizado seguidos de tratamiento con PBS o HDM, y evaluamos los resultados pulmonares en términos de metabolismo del hierro, respuestas al estrés oxidativo e inflamación pulmonar.
Resultados
Encontramos altos niveles de hierro en el aerosol de cigarrillo electrónico con sabor a mentol. Esto se correlacionó con los ratones de cigarrillo electrónico + HDM WT que exhiben interrupción del metabolismo del hierro pulmonar, lo que sugiere un mecanismo de defensa contra la toxicidad mediada por hierro. Esto se evidenció por las concentraciones alteradas de la proteína pulmonar de ferroportina, ferritina, lactoferrina y transferrina, la activación de la vía del elemento de respuesta antioxidante (are) y la expresión regulada por aumento de NQO1 en ratones E-cigarette + HDM WT. Además, a pesar de la disminución de la inflamación neutrofílica, MUC5AC, una mucina inducible por estrés oxidativo, se incrementó en los ratones E-cigarette + HDM WT. Por el contrario, los ratones MMP12 KO se protegieron contra las respuestas de estrés oxidativo inducidos por el hierro, destacando un papel crucial de MMP12 en este modelo.
Conclusión
Estos hallazgos revelaron evidencia in vivo que respalda un papel crucial para el metabolismo del hierro en la toxicidad de aerosol rico en hierro de nicotina.
Fondo
Un cigarrillo electrónico (E-CIG) es un dispositivo portátil que calienta la nicotina más el saborizante y otros productos químicos para generar un aerosol que puede inhalarse (vapear). Los cigarrillos electrónicos se clasifican formalmente como sistemas electrónicos de entrega de nicotina (ENDS). Los extremos a los aerosoles son mezclas complejas de: (1) carbonilos, incluidos el acetaldehído y el formaldehído, producidos durante la degradación térmica del propilenglicol y la glicerina, los principales humectantes en e-líquidos; (2) metales, incluyendo cromo (CR), cobre (Cu), hierro (Fe), plomo (Pb) y níquel (Ni), a partir de la corrosión de las partes del dispositivo de los extremos, por ejemplo, la bobina de aleación y la mecha; (3) partículas; (4) nicotina; y (5) saborizantes. Mint/Menthol es el sabor final más popular, que representa el 48% del mercado (1). Se ha informado que los productos químicos saborizantes, incluido el mentol, son citotóxicos e inducen estrés oxidativo en las células pulmonares in vitro (2,3,4,5,6,7,8,9). Se han encontrado altos niveles de CR, Ni y Fe en Juul Aerosols con sabor a menta (10). Los ratones expuestos a concentraciones elevadas de metales esenciales, incluidos los aerosoles Fe de los extremos (> 50 µg/kg), exhibieron acumulación de Fe en el sistema nervioso central (> 26 µg/g en el cuerpo estriado) (11). Estos datos muestran que la inhalación de los aerosoles de los extremos es una fuente de exposición a los metales, que puede acumularse en el cuerpo y potencialmente conducir a efectos adversos. Mientras que el fumar cigarrillos puede exacerbar los síntomas del asma y disminuir la función pulmonar (12), evidencia epidemiológica que también muestra los efectos de los extremos de las exposiciones de aerosol sobre las exacerbaciones del asma está comenzando a surgir. El uso de siempre fines ahora se asocia con un riesgo 31% mayor de desarrollar asma, incluso después de ajustar para variables de confusión, incluido el uso de productos de tabaco combustibles (13). Por lo tanto, el uso de fines está asociado con la morbilidad respiratoria en poblaciones adolescentes y adultas (14,15,16,17,18,19,20,21). En los Estados Unidos, el 4.5% de los adultos estadounidenses (22) y el 7.7% de los estudiantes de secundaria usan los fines (23). Colectivamente, estos datos refuerzan la necesidad de estudiar cómo la inhalación de los extremos aerosoles, particularmente con sabor a mentol, los aerosoles, afectan la exacerbación del asma.
En todo el mundo, más de 300 millones de personas actualmente sufren de asma, una condición respiratoria debilitante con más de 450,000 muertes anuales (24). Solo en los Estados Unidos, hay más de 25 millones de personas asmáticas: 5 millones de jóvenes más 20 millones de adultos (25). Estas tasas de prevalencia dan como resultado gastos médicos superiores a $ 50 mil millones de dólares por año (26). Las exacerbaciones del asma generalmente se desencadenan por alérgenos domésticos comunes, incluidos los ácaros de la casa (HDM), los sensibilizadores de metales y el humo del tabaco (27). La patogénesis del asma se caracteriza por la obstrucción de las vías respiratorias, el aumento de la hiperreactividad de las vías respiratorias, la inflamación y la remodelación del tejido (28,29,30). Las metaloproteinasas de matriz (MMP) son una familia de proteasas dependientes del zinc que están involucradas en varios procesos biológicos, incluida la remodelación de los tejidos. Los MMP son capaces de degradar los componentes de la matriz extracelular durante las condiciones normales y patológicas (31). Por lo tanto, la remodelación de las vías respiratorias puede conducir a cambios estructurales en la matriz extracelular dentro de las vías respiratorias grandes y pequeñas, además de estar involucrado en la proliferación del músculo liso dentro de los pulmones y la activación de fibroblastos. Todo esto, si no está controlado, puede causar daños extensos a los pulmones (32). Se ha informado que MMP9 y MMP12 (elastasa de macrófagos) desempeñan papeles importantes en la reparación de tejidos y la remodelación de las vías respiratorias. MMP12 es uno de los genes más expresados en los macrófagos alveolares entre los fumadores, incluidos aquellos con EPOC (30). Además, se ha demostrado que los ratones Knockout (KO) MMP12 exhiben (1) disminuyen los síntomas de enfisema, marcados por una reducción de la inflamación pulmonar (33), así como (2) reducción en las exacerbaciones inducidas por alérgenos (34), destacando roles influyentes clave para MMP12 en la patogénesis de enfisema y asma, respectivamente. Anteriormente demostramos que MMP12 estaba desregulado en líneas celulares epiteliales bronquiales humanas (BEAS-2B y H292) y macrófagos murinos (RAW 246.7) después de exposiciones a la interfaz de aire-líquido in vitro a los aerosoles JUUL (35). Colectivamente, estos hallazgos en humanos, animales y células respaldan fuertemente la necesidad de investigar los efectos de los extremos de las exposiciones de aerosol en las respuestas asmáticas, con un enfoque particular en la participación de MMP12 en un modelo combinado de asma inducido por los extremos + HDM. Por lo tanto, el objetivo general de este estudio fue investigar el papel de MMP12 en las respuestas pulmonares causadas por los aerosoles Juul con sabor a mentol (un dispositivo de extremos de cuarta generación) en respuestas asmáticas inducidas por HDM en el tipo silvestre juvenil (WT) y los ratones hembras MMP12 KO. Nuestro estudio reveló que Juul Aerosol con sabor a mentol tiene un alto contenido de hierro y que la superposición de Juul Aerosol Plus HDM condujo a la interrupción de la homeostasis de hierro pulmonar en ratones WT, mientras que esos efectos se atenuaron en ratones MMP12 KO. Con respecto a la inducción del asma, mientras que Juul Aerosol con sabor a mentol suprimió las respuestas inmunoinflamatorias, esta exposición estimuló las vías de estrés oxidativo y la producción de moco de las vías respiratorias. Estos resultados pulmonares se redujeron en ratones MMP12 KO. En general, nuestros datos apuntan a un mecanismo que involucra la influencia de MMP12 en el metabolismo del hierro pulmonar y las respuestas asmáticas que siguen las exposiciones de aerosol con los extremos de juulas ricos en hierro en un modelo de asma inducido por HDM.
Métodos
Animales y exposiciones in vivo a Juul Aerosol
Utilizamos C57BL/6 y MMP12 KO de 4 a 5 semanas de edad, ratones hembra (Jackson Laboratories, cepa # 004855). Los animales fueron alojados y manejados de acuerdo con la Guía de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) para el cuidado y uso de animales de laboratorio. Todos los procedimientos y protocolos fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad Estatal de Louisiana (LSU) (IACUC). Los ratones WT y KO se asignaron aleatoriamente a los siguientes grupos: (1) aire filtrado + PBS, (2) Juul 5% Menthol + PBS, (3) Aire filtrado + ácaro de polvo de la casa (HDM), (4) Juul 5% Menthol + HDM (n = 7–8 por grupo). Los ratones se expusieron a aerosoles con sabor a mentol Juul o aire filtrado con HEPA en cámaras de exposición de cuerpo entero de 5 l (Scireq, Montreal, QC, Canadá) durante 1 h/día durante 3 o 60 días consecutivos (Fig. 1a). Como se describió anteriormente en (36), para imitar el uso del dispositivo y activar el flujo de aire de este dispositivo de sistema cerrado, los aerosoles JUUL se generaron conectando un dispositivo Juul a una bomba peristáltica (Masterflex L/S, Cole-Palmer) usando tubo de tibonos de 1 pulgada de diámetro, seguido de una conexión directa a la cámara 5L. El aerosol se diluyó con aire filtrado. La concentración de partículas totales (TPM) se midió gravimétricamente muestreando la atmósfera de prueba en un filtro de fibra de vidrio de 25 mM con un tamaño de poro de 0.7 m (catálogo # AP4002500, miliporesigma). También se usó un instrumento MicroDustPro (Casella) para registrar simultáneamente el TPM en tiempo real. Las concentraciones promedio de TPM para los grupos expuestos de JUUL se enumeran en la Fig. 1b.
La caracterización fisicoquímica de las exposiciones de aerosol de Juul con sabor a mentol revela un alto contenido de hierro. a Esquema experimental de los 60 días Juul Aerosol Plus HDM Exposiciones. b 60 días Parámetros de exposición promedio medidos diariamente dentro de las cámaras de exposición. La temperatura y la humedad relativa se midieron dentro de las cámaras de exposición usando un hidrómetro. do Perfil químico del aerosol con sabor a mentol Juul para propilenglicol, glicerina, nicotina, carbonilos y ácidos orgánicos. Las muestras se recolectaron en el Centro de Investigación de Inhalación de la Universidad Estatal de Louisiana y fueron analizadas por Analytical (Durham, NC). d Distribución del tamaño de la partícula de aerosol de Juul con sabor a mentol medido con un Sizer de partículas de movilidad de escaneo (SMPS). mi Concentración de metales (Fe, Cr, Cu) encontrados en los aerosoles Juul con sabor a mentol. Las muestras se recolectaron en el Centro de Investigación de Inhalación de la Universidad Estatal de Louisiana y fueron analizadas por Eurofins (Liverpool, NY)
Caracterización de Juul Aerosol
El perfil químico de este aerosol Juul con sabor a mentol (5%) se informó previamente …
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