Il ruolo della tecnologia di BronkHorst nella ricerca sulle sigarette elettroniche

15 ottobre 2019 Prof.ssa Aufderheide

La Prof.ssa Aufderheide sta lavorando da più di 30 anni nel campo dei metodi alternativi basati sulle cellule, con particolare attenzione alla tossicologia per inalazione che studia l’effetto delle sostanze aeree sulle cellule epiteliali del tratto respiratorio. Per la presente ricerca ha sviluppato assieme ai colleghi un dispositivo speciale: il modulo brevettato CULTEX RFS, che consente di trattare direttamente le cellule coltivate con queste sostanze attive. L’aumento dell’inquinamento dell’ambiente e dei luoghi di lavoro richiede dei nuovi metodi di prova per prevedere il livello di rischio di queste sostanze. L’elevata sensibilità del sistema biologico di prova richiede un’impostazione tecnologica stabile e precisa per testare tali atmosfere, dove, oltre alla tecnologia CULTEX, i controllori di flusso di massa sono di vitale importanza per regolare e controllare i flussi di aerosol sulle cellule.

Le sigarette elettroniche

La storia dell’umanità è caratterizzata dalla recettività agli stimolanti. Dall’inizio dei tempi, queste sostanze hanno incluso intossicanti come alcol e fumo. Anche se siamo tutti consapevoli dei rischi per la salute, gran parte delle persone abbandonano i vizi solo quando recano loro malessere (William Somerset Maugham).

Ciò è particolarmente vero per il fumo. È risaputo che il fumo eccessivo aumenti il rischio di malattie cardiovascolari e di cancro ai polmoni, eppure cediamo ancora alla tentazione della nicotina. Studi epidemiologici hanno mostrato ripetutamente gli effetti dannosi di questo piacere che dà dipendenza, ma i tentativi di smettere di fumare spesso falliscono, nonostante la consapevolezza certa che ogni sigaretta possa essere di troppo.

In risposta a ciò, l’industria delle sigarette sta diffondendo le sigarette elettroniche come alternativa. La combustione del tabacco rilascia migliaia di sostanze dannose che vengono inalate anche dai fumatori. Al contrario, le sigarette elettroniche fanno inalare un vapore senza prodotti che presentino un rischio per la salute; almeno così viene dichiarato. Questo vapore è creato da un liquido aromatico utilizzando un vaporizzatore (tra gli ingredienti principali troviamo: glicole propilenico, glicerina, etanolo, vari aromi e nicotina, nella dose richiesta).

Di conseguenza, la sigaretta elettronica è pubblicizzata dall’industria delle sigarette come un’alternativa più salutare alle sigarette tradizionali o un modo per aiutare le persone a smettere di fumare. Si stanno investendo molti soldi per dimostrare scientificamente che le sostanze delle sigarette elettroniche siano meno dannose rispetto a quelle del tabacco. Questa affermazione è essenzialmente vera. Tuttavia, non risponde veramente alla questione sugli effetti del vapore. Studi epidemiologici, come quelli condotti sul fumo delle sigarette, non sono disponibili e nessuno può quindi dichiarare che il consumo eccessivo o prolungato possa causare danni alla salute dei consumatori.

Figura 1: A. CULTEX®RFS Compact con 6 posizioni Transwell esposte separatamente all’atmosfera di prova. B. L’atmosfera di prova viene aspirata centralmente nel modulo, attraverso i controllori di flusso di massa in maniera controllata, distribuita radialmente ai vasi di coltura delle cellule e tesa continuamente attraverso le cellule.

Studi in vitro

Pertanto, come posso trattare la questione ora? L’unica opzione rimasta è quella di svolgere studi in vitro. Per farlo, utilizziamo la coltura di cellule vive come alternativa agli esperimenti sugli animali.

Le sostanze attive inalate raggiungono innanzitutto i tessuti epiteliali che rivestono i polmoni. Tali tessuti sono costituiti da una moltitudine di cellule che servono a difendere o inattivare le sostanze inalate in base alle loro funzioni speciali. Troviamo le cellule che producono il muco, le cui secrezioni catturano le sostanze dannose, come anche le cellule che trasportano le ciglia che possono portare via il muco.
Altre cellule hanno un effetto disintossicante; inoltre, in un corpo abbiamo cellule sostitutive a sufficienza che possono rimpiazzare la funzione delle cellule danneggiate o morte. Nel campo della ricerca basata sulle cellule, possiamo rendere disponibili per la ricerca queste popolazioni di cellule umane (vedere Figura 2A). Queste cellule vengono coltivate nelle cosiddette Transwell su membrane microporose, dove ricevono nutrienti dalla parte inferiore della membrana, mentre la parte apicale (esterna) della coltura può reagire con l’atmosfera circostante.

Figura 2: Sezione trasversale delle membrane dell’inserto della coltura cellulare con cellule (CL-1548) NHBE immortalate, colorate con EE (Ematossilina ed Eosina). Dopo 21 giorni di coltivazione nell’interfaccia aria-liquido, le cellule sono state esposte ripetutamente (quotidianamente per cinque giorni e dopo una fase di recupero di due giorni ancora in tre giorni successivi, ciclo massimo di esposizione: 8 ripetizioni di esposizione al fumo) ad aria pulita (CA), fumo di sigaretta tradizionale (CS; 4x sigarette K3R4F per prova secondo ISO 3308, Università del Kentucky, Lexington, KY, USA) e vapore del liquido elettronico (EC) senza nicotina (Tennessee Cured, Johnsons Creek, Hartland, WI, USA). Le sigarette K3R4F sono state fumate da un robot e adoperate come segue: 24 boccate con un volume di 35 ml in 2 sec., un tempo di espirazione di 7 sec. e un intervallo tra boccate di 10 sec. La sigaretta elettronica InSmoke Reevo Mini (InSmoke Shop, Svizzera) è stata adoperata in una maniera simile: 50 boccate (35 ml di volume, durata delle boccate 2 sec., tempo di espirazione di 7 sec.) con un intervallo tra boccate di 10 s.

Controllore di flusso di massa: i guardiani dell’esposizione cellulare

Nel corso degli anni, abbiamo sviluppato sistemi di esposizione cellulare efficienti, come il moduloCULTEX®RFS, che consente una diretta, stabile e riproducibile esposizione delle cellule del polmone nell’interfaccia aria-liquido ([ALI); vedere Figure 1A).
In particolare, la loro stabilità garantisce risultati significativi, da una parte grazie al design adeguato dal punto di vista aerofisico del modulo CULTEX®RFS e dall’altra grazie all’uso del controllore di flusso di massa guidato da un computer (serie Bronkhorst IQ+FLOW e serie EL-FLOW Select), il cui controllo e design sono stati adattati all’esposizione cellulare. Il controllo del flusso garantisce un’atmosfera riproducibile e precisa per l’esposizione delle cellule ai gas di prova. È principalmente la solidità del design sperimentale che offre risultati che ci permettono di trarre conclusioni riguardo agli effetti delle rispettive atmosfere di prova. In questo caso, le varie cellule sono state esposte al vapore della sigaretta elettronica (50 boccate per prova) e paragonate a un normale fumo di sigaretta (24 boccate per prova); le cellule sono state esposte alle rispettive dosi per 8 giorni. È stato fornito un controllo sotto forma di cellule esposte all’aria pulita.

Gli straordinari risultati sono stati riassunti nella Figura 2. Il confronto tra i preparati istologici delle cellule trattate con il fumo e il vapore delle sigarette elettroniche e il controllo dell’aria pulita conferma le aspettative: il fumo di sigaretta causa una chiara riduzione della produzione di muco così come del numero e della presenza di ciglia. In ogni caso, dopo questo periodo di trattamento, un effetto paragonabile – sebbene meno menzionato – potrebbe essere osservato anche per l’aerosol del liquido elettronico. Rispetto alle cellule esposte all’aria pulita, abbiamo osservato un effetto significativo che certamente dovrebbe farci riflettere. L’affermazione secondo la quale il vapore sia meno dannoso del fumo non deve essere confusa con la conclusione che il vapore non sia per niente dannoso. In futuro, questo problema dovrà essere affrontato attraverso mezzi preventivi al fine di contrastare i danni a lungo termine.

Prodotti utilizzati nella presente ricerca: controllore di flusso di massa IQ+FLOW e controllore di flusso di massa termico EL-FLOW Select.

 

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