In addition to the reinforcing compound nicotine, cigarette smoke contains a vast amount of hazardous chemicals, many of them known carcinogens. In combination with high smoking prevalence, cigarette smoking poses a huge yet avoidable health risk. Although smoking cessation is the most effective way to reduce smoking-associated harm, tobacco dependence is difficult to overcome. Alternative nicotine delivery systems (ANDS) release nicotine using different mechanisms than tobacco cigarettes, supposedly associated with a lower exposure to hazardous pyrolysis products. E-cigarettes use electrically generated heat to aerosolize a mixture of humectants and other ingredients to bring nicotine into an inhalable form. Similarly, heated tobacco products (HTPs) apply heat to aerosolize nicotine from tobacco. Both product groups are heterogeneous; HTPs employ different heating mechanisms and the design of e-cigarettes undergoes a constant change in generations. In recent years, e-cigarettes became simpler in use. Application of nicotine salts enabled the delivery of high nicotine concentrations (up to almost 60 mg/mL) that has led to a rise in adolescent users of e-cigarettes in the US and consequently to serious public health concerns. In Europe, the nicotine content in liquids of e-cigarettes is limited to a maximum of 20 mg/mL by the Tobacco Product Directive (TPD). Consequently, when such new or modified products enter the market, there is initially little knowledge regarding their potential addictiveness and harm. Science-based risk assessment of these products requires data on the delivery of nicotine and hazardous compounds to the consumer. While plenty of standardized methods already exist for the analysis of cigarette smoke, chemical characterization of novel products requires their adaption or development of new methods. Thus, nicotine and the main contributors to carcinogenicity of tobacco smoke, volatile organic compounds (VOCs) and carbonyl compounds, were determined in mainstream emissions of two different HTPs. Standard methods for cigarette smoke were adapted for this purpose testing their feasibility for the characterization of the product group. Thermodegradation products of a novel filter material used in one HTP were followed up to identify potentially new compounds with toxicological relevance. Content of nicotine and carbonyl compounds was assessed in mainstream emissions of an e-cigarette brand that was recently introduced on the European market. A linear vaping machine designed for standardized aerosol generation of e-cigarettes was used for emission generation of HTPs and e-cigarettes. Further, nicotine delivery by actual consumption of the studied e-cigarette was followed up in a clinical study with experienced e-cigarette users. Participants were instructed to use their study products according to a pre-directed puffing protocol. For this purpose, a quantitation method for nicotine and its main metabolites from human plasma was developed and validated in accordance with bioanalytical guidelines. Nicotine delivery by the European version of the investigated e-cigarette was reduced compared with the US version as a consequence of threefold lower liquid nicotine content. A technical modification of the wick material used has resulted in an increased nicotine delivery in the vaping machine study. Nevertheless, nicotine concentrations in the blood of human participants that were achieved upon consumption of the e-cigarette were significantly lower in comparison to the nicotine concentrations in blood after smoking of a conventional cigarette. Further, the increased rate of nicotine concentration in the blood in the first minutes of consumption was low for the initial and the modified European variant compared with consumption of a conventional cigarette. At stage of consumption, the technical modification of the wick material was not sufficient to compensate for the lower liquid nicotine content. The analyzed carcinogens were reduced in the emissions of both HTPs in comparison to cigarette smoke. VOCs, especially the major contributor to cigarette smoke carcinogenicity 1,3-butadiene, were reduced by more than 96%. A reduction of carbonyl compounds by both products was apparent but less pronounced. Nicotine delivery per consumable unit was lower than usually measured for cigarettes. One device delivered a similar amount of nicotine as low yield cigarettes, while the nicotine delivery of the second device was approximately one third compared with the first device. Existing analytical methods for determination of cigarette smoke could be adapted for their application for HTPs, except for determination of water content. High water contents in product aerosols, such as seen for HTPs, are underestimated with water determination methods standardized for cigarette smoke. The amount of water in tobacco product emissions is used to calculate the value “tar” which has an upper limit in cigarette smoke set by TPD. Carbonyl compounds were detected in e-cigarette aerosol as well, yet close to their lower limits of quantitation. Smokers who would otherwise continue smoking are likely to reduce their exposure to carcinogenic substances by completely switching to HTPs and e-cigarettes. This reduction could be lessened by possible compensatory effects caused by reduced nicotine delivery. The other side of a high nicotine delivery, especially a quick elevation of blood nicotine levels in the acute phase, is a potential induction of dependence. The limited nicotine content in the liquid of the European variant of the e-cigarette in combination with its fixed settings for vaporization result in low nicotine concentrations in blood with a slow rise. This suggests a lower potential of the product to induce addiction as seen with e-cigarettes with high nicotine concentrations in the liquid. Regulation of ANDS can have an impact on the consumer’s exposure to harmful substances and the product’s potential addictiveness. Regulation and the supporting scientific basis have to be under constant progression to keep pace with novelties on the market such as new product groups or unconventional design features.
Zigarettenrauch enthält neben dem Suchtstoff Nikotin eine Vielzahl von Schadstoffen, viele davon sind bekannte Kanzerogene. Auf Grund der hohen Raucherquote stellt Zigarettenrauchen daher ein sehr großes, aber dennoch vermeidbares gesundheitliches Risiko dar. Obwohl ein kompletter Rauchstopp die effektivste Methode ist, um Tabak-assoziierte gesundheitliche Schäden zu verringern, fällt es vielen Rauchern schwer ihre Tabakabhängigkeit zu überwinden. Alternative Nikotinabgabesysteme geben Nikotin über andere Mechanismen im Vergleich zu Tabakzigaretten ab. Dies führt mutmaßlich zu einer geringeren Exposition gegenüber schädlichen Pyrolyseprodukten. E Zigaretten nutzen elektrisch generierte Wärmeenergie, um eine Mischung aus Feuchthaltemitteln und anderen Inhaltsstoffen, insbesondere Nikotin, in eine inhalierbare Form zu überführen. Bei Tabakerhitzern wird auf ähnliche Weise der enthaltene Tabak erhitzt, um Nikotin ins Aerosol abzugeben. Beide Produktgruppen sind in sich sehr heterogen. Es kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, um bei Tabakerhitzern die Wärmeenergie auf den Tabak zu übertragen. Auch das Design von E Zigaretten unterliegt regelmäßigen Generationswechseln. Beispielsweise gab es in den letzten Jahren einen Trend zu E-Zigaretten, die sich durch ein simples Design und eine einfache Benutzung auszeichnen. Die Nutzung von Nikotinsalzen erlaubt zudem den Einsatz von hohen Nikotin¬konzentrationen (bis hin zu fast 60 mg/mL). Dieser Trend führte zu einem starken Anstieg an jugendlichen E-Zigaretten-Nutzern in den USA und hatte damit schwerwiegende Folgen für die öffentliche Gesundheit. Die europäische Tabakproduktrichtlinie (engl. tobacco product directive, TPD) begrenzt hingegen den Nikotingehalt in Liquids für E-Zigaretten auf ein Maximum von 20 mg/mL. Wenn neue oder modifizierte alternative Nikotinabgabesysteme auf dem Markt eingeführt werden, ist daher anfänglich wenig Wissen vorhanden, um das Abhängigkeitspotential und die potenzielle Schädlichkeit der Produkte abzuschätzen. Eine wissenschaftlich fundierte Risikobewertung der Produkte benötigt Daten zur Abgabe von Nikotin und weiteren schädlichen Substanzen an den Konsumenten. Während eine Reihe standardisierter Methoden für die Analytik von Zigarettenrauch existiert, bedarf die chemische Charakterisierung der neuen Produkte zunächst einer Anpassung oder Neuentwicklung der Methoden. Daher wurden neben dem Nikotingehalt auch die Hauptkanzerogene im Zigarettenrauch, volatile organische Verbindungen und Carbonylverbindungen, in den Hauptstromemissionen zweier Tabakerhitzer untersucht. Standardmethoden für die Untersuchung von Zigarettenrauch wurden für diesen Zweck angepasst und auf ihre Eignung überprüft. Zusätzlich wurde die thermische Zersetzung eines neuartigen Filtermaterials, welches bei einem der Tabakerhitzer zum Einsatz kommt, simuliert und mögliche Zersetzungsprodukte von toxikologischer Relevanz wurden identifiziert. Der Gehalt an Nikotin und an Carbonylverbindungen in den Hauptstromemissionen einer E-Zigarette, die kürzlich auf dem europäischen Markt eingeführt wurde, wurde bestimmt. Eine lineare Abdampfmaschine wurde für die Untersuchung der Tabakerhitzer und der E-Zigarette genutzt. Diese Maschine ist dafür ausgelegt, um mit einem standardisierten Verfahren Aerosol aus E-Zigaretten zu erzeugen. Weiterhin wurde die Nikotin¬aufnahme nach tatsächlicher Nutzung der untersuchten E-Zigarette in einer Humanstudie mit erfahrenen E-Zigaretten-Nutzern untersucht. Studienteilnehmer wurden instruiert, ihr Testprodukt nach einem vorgegebenen Zugschema zu nutzen. Zu diesem Zweck wurde vorher eine Bestimmungs¬methode für Nikotin und dessen Hauptmetabolite aus Humanplasma entwickelt und nach bioanalytischen Leitlinien validiert. Die europäische Version der untersuchten E-Zigarette zeigte im Vergleich zur amerikanischen Variante eine reduzierte Nikotinabgabe als Folge der etwa auf ein Drittel reduzierten Nikotinkonzentration im Liquid. Eine technische Modifikation des Dochtmaterials seitens des Herstellers führte zu einer erhöhten Nikotinabgabe bei maschineller Aerosolerzeugung. Dennoch waren die erreichten Nikotin-konzentrationen im Blut humaner Probanden nach Nutzung der modifizierten E-Zigarette wesentlich geringer im Vergleich zum Konsum einer Tabakzigarette. Auch die Nikotinanflutung in den ersten Minuten der Produktnutzung war deutlich langsamer für beide europäische Varianten (vor und nach der Produktmodifikation) im Vergleich zur Nutzung einer konventionellen Tabakzigarette. Es zeigte sich, dass die technische Modifikation nicht ausreichte, um den reduzierten Nikotingehalt im Liquid bei tatsächlicher Nutzung des Produktes vollständig zu kompensieren. Die untersuchten Kanzerogene wurden in den Emissionen beider Tabakerhitzer im Vergleich zum Zigarettenrauch in deutlich geringeren Konzentrationen nachgewiesen. Volatile organische Verbindungen, insbesondere 1,3-Butadien, welches einen wesentlichen Anteil an der Kanzerogenität von Tabakrauch beiträgt, waren um mehr als 96% reduziert. Die Reduktion der Carbonylverbindungen in den Emissionen beider Produkte war weniger deutlich. Auch die Nikotinabgabe pro Konsumeinheit war geringer als üblicherweise im Zigarettenrauch. Ein Tabakerhitzer lag in einem ähnlichen Bereich wie Zigaretten mit geringer Nikotinabgabe, das andere Produkt gab im Vergleich dazu nur ein Drittel der Nikotinmenge ab. Existierende Analysemethoden für Zigarettenrauch konnten für die Charakterisierung der Tabakerhitzer angepasst werden, mit Ausnahme der Methode zur Wasserbestimmung. Der hohe Wassergehalt in den Emissionen der Tabakerhitzer begünstigen dessen Unterschätzung. Der Wassergehalt wird zur Berechnung des Teergehaltes in Zigarettenrauch benötigt, welcher durch die TPD begrenzt ist. Im E-Zigaretten-Aerosol wurden ebenfalls Carbonylverbindungen gefunden, allerdings nahe der Bestimmungsgrenze. Raucher, die komplett auf Tabakerhitzer oder E-Zigaretten umsteigen, reduzieren wahrscheinlich ihre Exposition gegenüber krebserregenden Substanzen, wenn sie ansonsten weitergeraucht hätten. Diese Schadstoffreduktion könnte durch kompensatorische Produktnutzung auf Grund einer geringeren Nikotinabgabe vermindert werden. Die Kehrseite einer hohen Nikotinabgabe, insbesondere mit einer schnellen Nikotinanflutung in der akuten Phase, ist eine potenzielle Suchtauslösung. Die europäische Version der untersuchten E-Zigaretten führte zu einer geringen Nikotinabgabe bei Produktnutzung mit einer langsamen Anflutung. Dies ist eine Konsequenz der limitierten Nikotinkonzentration im Liquid in Kombination mit den vom Nutzer nicht modifizierbaren Geräteeinstellungen. Aus den Daten lässt sich auf ein geringeres Suchtpotential dieser Produktvariante schließen. Gesetzliche Regulierungen von alternativen Nikotinabgabesystemen können die Exposition der Konsumenten gegenüber schädlichen Substanzen und das Abhängigkeitspotential der Produkte beeinflussen. Sowohl die Regulierung als auch die wissenschaftlichen Grundlagen dafür müssen kontinuierlich erweitert und angepasst werden, um mit den rapiden Entwicklungen auf dem Markt schritthalten zu können, z.B. bei der Einführung neuer Produktgruppen und neuartiger Konstruktionsmerkmale.
