Einfluss von Glycerin und Propylenglykol auf die ziliäre Schlagfrequenz von menschlichen nasalen Epithelzellen in-vitro
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Philipps-Universität Marburg
Abstract
Glycerin und Propylenglykol sind die Hauptbestandteile des Liquids von E-Zigaretten. Das bedeutet, dass die Atemwege bei dessen Konsum relevanten Stoffkonzentrationen ausgesetzt sind. Es gibt bereits eine Vielzahl an Studien, die den Einfluss des Liquids auf die ziliäre Schlagfrequenz sowie verschiedene Schädigungsmuster durch E-Zigaretten behandeln. Zum isolierten Einfluss der einzelnen Bestandteile gibt es allerdings noch wenig Wissen. Dadurch ist eine Einordnung bezüglich der Sicherheit der Stoffe noch schwierig. Diese Studie soll Erkenntnisse darüber liefern, welchen Einfluss Glycerin und Propylenglykol in-vitro auf die ziliäre Schlagfrequenz haben. Die ziliäre Schlagfrequenz bzw. die mukoziliäre Clearance sind wichtige Funktionen zur Reinigung der Atemwege. Eine Funktionseinschränkung kann zu wiederkehrenden Infektionen der Atemwege, Epithelschäden und Umbauvorgängen der Lunge führen. Dadurch kann das Risiko für das Entstehen von Atemwegserkrankungen und chronischen Funktionsstörungen steigen.
In dieser Studie wurden Flimmerepithelzellen mit einer Einweg-Abstrichbürste aus dem unteren Nasengang (Meatus nasi inferior) entnommen. Die Zellen wurden bei Raumtemperatur in einer Zellkulturflüssigkeit gelagert und in einem Zeitfenster 3-9 Stunden nach Entnahme analysiert. Die Zellen wurden in-vitro den Stoffen Glycerin und Propylenglykol in den Konzentrationen 1%, 5% und 8% exponiert. Eine Kontrolle wurde mit 8% NaCl 0,9% durchgeführt. Hierbei wurden die Zellen 20 Minuten lang den jeweiligen Konzentrationen ausgesetzt. Die ziliäre Schlagfrequenz wurde alle zwei Minuten gemessen. Die Analyse fand mit einer „High-speed video microscopy analysis“ (HSVA) und die Auswertung mit der Sisson-Ammons Video Analysis (SAVA) statt.
Bei einem Vergleich der Mittelwerte zwischen der Kontrolle mit NaCl 0,9% (6.9 Hz ± 1.7) führt die Exposition mit 1% Glycerin (4.4 Hz ± 1.5), 5% Glycerin (3.9 Hz ± 1.7) und 8% Glycerin (3.5 Hz ± 1.4) jeweils zu signifikant (p < 0.001) niedrigeren ziliären Schlagfrequenzen als die Kontrolle. Auch die Exposition mit 1% Propylenglykol (4.3 Hz ± 1.5), 5% Propylenglykol (3.8 Hz ± 1.3) und 8% Propylenglykol (3.1 Hz ± 1.1) führt zu jeweils signifikant (p < 0.001) niedrigeren ziliären Schlagfrequenzen. Zusätzlich wurde die Effektstärke mit dem Spearman-Korrelationskoeffizienten berechnet. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine Erhöhung der Stoffkonzentrationen von Glycerin sowie Propylenglykol mit einer Abnahme der ziliären Schlagfrequenz stark bis sehr stark korrelieren (Spearmans ρ < -0.69).
Zusätzlich führt eine Erhöhung der Stoffkonzentration bei Glycerin (1%: 4.4 Hz ± 1.5 vs. 8%: 3.5 Hz ± 1.4) sowie Propylenglykol (1%: 4.3 Hz ± 1.5 vs. 8%: 3.1 Hz ± 1.1) zu signifikanten Abnahmen der ziliäre Schlagfrequenz (p < 0.001). Somit kann eine konzentrationsabhängige Abnahme der CBF festgestellt werden.
Die Ergebnisse einer akuten Abnahme der ziliären Schlagfrequenz durch Glycerin können in der Literatur bestätigt werden. Eine akute Abnahme durch Propylenglykol kann in der Literatur nur teilweise bestätigt werden. Es gibt in der Literatur Hinweise auf zelluläre Schädigungsmechanismen durch E-Zigaretten. Eine sichere Zuordnung zwischen Stoff und ursächlichem Schädigungsmechanismus ist allerdings bisher nicht möglich.
Es gilt zu berücksichtigen, dass diese Studie ausschließlich die ersten 20 Minuten der Exposition in-vitro mit Glycerin und Propylenglykol berücksichtigt. Eine über diese Dauer hinaus bewirkte Veränderung, sowie der Einfluss der Zersetzungsstoffe durch Verdampfung sind nicht Teil dieser Arbeit.
Der Autor weist daraufhin, dass NaCl 0,9% zu einer Abnahme der ziliären Schlagfrequenz führen kann, sodass eine Ringerlösung als Kontrollsubstanz eine bessere Alternative gewesen wäre.
In Zukunft sind Studien gefragt, die den isolierten Einfluss der einzelnen Bestandteile der Liquids auf die ziliäre Schlagfrequenz untersuchen. Dabei sind Studiendesigns wünschenswert, in denen akute, sowie chronische Expositionen der Epithelzellen in realistischen Stoffkonzentrationen durchgeführt werden. Die Rahmenbedingungen, wie z.B. Zeit, Temperatur der Stoffe, des Kulturmediums und der Verdampfung sowie verwendete und praktisch zellulär erreichte Stoffkonzentrationen müssen konsequenter dokumentiert werden. Auf diese Weise könnten hinsichtlich der einzelnen Stoffe besser eingeordnet werden, ob bzw. bei welchen Parametern eine sichere Nutzung gewährleistet werden kann.
Glycerol and propylene glycol are the main components of e-cigarette liquids. As a result, the consumption of e-cigarettes leads to a relevant substance exposure of the respiratory tract. There are already a large number of studies dealing with the influence of the liquid on the ciliary beat frequency as well as different patterns of damage caused by e-cigarettes. However, there is still little knowledge about the isolated influence of the individual components. This makes it difficult to classify the safety of the substances. This study aims to provide insights into the influence of glycerol and propylene glycol on ciliary beat frequency in vitro. Ciliary beat frequency, or mucociliary clearance, is an important function in clearing the airways. Impaired function can lead to recurrent respiratory tract infections, epithelial damage and remodelling processes. This can increase the risk of developing respiratory diseases and chronic dysfunction.
In this study, ciliated epithelial cells were collected from the inferior nasal meatus using a disposable swab brush (brush biopsy). Cells were stored at room temperature in cell culture fluid and analysed in a time window 3-9 hours after collection. Cells were exposed in-vitro to glycerol and propylene glycol at 1%, 5% and 8% concentrations. A control was performed with 8% isotonic saline solution (NaCl 0,9%). Here, the cells were exposed to the respective concentrations for 20 minutes. The ciliary beat frequency was measured every two minutes. The analysis was performed with a "High-speed video microscopy analysis" (HSVA) and the evaluation with the “Sisson-Ammons Video Analysis” (SAVA).
When comparing the mean values between the control with NaCl 0.9% (6.9 Hz ± 1.7), exposure to 1% glycerol (4.4 Hz ± 1.5), 5% glycerol (3.9 Hz ± 1.7) and 8% glycerol (3.5 Hz ± 1.4) each lead to significantly (p < 0.001) lower ciliary beat frequencies than the control. Exposure to 1% propylene glycol (4.3 Hz ± 1.5), 5% propylene glycol (3.8 Hz ± 1.3) and 8% propylene glycol (3.1 Hz ± 1.1) also resulted in significantly (p < 0.001) lower ciliary beat frequencies. In addition, the effect size was calculated with the Spearman correlation coefficient. The results indicate that an increase in the substance concentrations of glycerol and propylene glycol correlates strongly to very strongly with a decrease in the ciliary beat frequency (Spearman's ρ < -0.69).
In addition, an increase in the substance concentration of glycerol (1%: 4.4 Hz ± 1.5 vs. 8%: 3.5 Hz ± 1.4) and propylene glycol (1%: 4.3 Hz ± 1.5 vs. 8%: 3.1 Hz ± 1.1) leads to significant decreases in ciliary beat frequency (p < 0.001). Thus, a concentration-dependent decrease in CBF can be detected.
The results of an acute decrease in ciliary beat frequency by glycerol can be confirmed in the literature. An acute decrease due to propylene glycol can only be partially confirmed in the literature. There are indications in the literature of cellular damage mechanisms caused by e-cigarettes. However, a reliable assignment between substance and causal damage mechanism is not yet possible.
It must be taken into account that this study only considers the first 20 minutes of exposure in-vitro to glycerol and propylene glycol. Any change caused beyond this period, as well as the influence of the decomposition substances through evaporation, are not part of this work.
The author points out that NaCl 0.9% can lead to a decrease in ciliary beat frequency, so that a Ringer's solution as a control substance would have been a better alternative.
In the future, studies are needed that examine the isolated influence of the individual components of the liquids on the ciliary beat frequency. Study designs in which acute as well as chronic exposures of the epithelial cells are carried out in realistic substance concentrations are desirable. The general conditions, such as time, temperature of the substances, the culture medium and the evaporation as well as the used and practically cellularly achieved substance concentrations must be documented more consistently. In this way, it could be better classified with regard to the individual substances whether or at which parameters safe use can be guaranteed.