Gholap, V. V., Kosmider, L., Golshahi, L., & Halquist, M. S. (2020). Nicotine forms: why and how do they matter in nicotine delivery from electronic cigarettes?. Expert opinion on drug delivery, 17(12), 1727-1736.
Abstract.
Introduction
Les dispositifs d’e-cigarettes non réglementés et leur teneur en nicotine ont amplifié le potentiel des e-cigarettes en tant qu’agents de dépendance. Plusieurs paramètres liés à l’e-cigarette ont été identifiés comme modifiant le profil d’absorption de la nicotine, de sorte que leurs effets potentiels sur la dépendance doivent être pris en compte. Parmi ces facteurs, les formes de nicotine (protonée et base libre) jouent un rôle important dans le potentiel de dépendance, mais leur impact sur l’absorption de la nicotine a fait l’objet de recherches limitées.
Domaines couverts
La présente étude vise à mettre l’accent sur le mécanisme possible à l’origine des différents profils d’absorption des formes de nicotine en tenant compte de leurs états physiques (gouttelettes et phase vapeur) et de la taille des particules de l’aérosol, de leur analyse dans la recherche sur les e-cigarettes et de l’attention réglementaire qu’elles justifient pour lutter contre la dépendance à la nicotine dans la population en raison des e-cigarettes.
Avis d’expert
La forme protonée de la nicotine est corrélée aux effets sensoriels doux et à l’absorption élevée de la nicotine par rapport à la nicotine de base libre. Avec l’introduction des sels de nicotine, qui produisent principalement la forme protonée, la popularité des e-cigarettes auprès des jeunes a augmenté de façon exponentielle. S’il est important de contrôler les niveaux de nicotine dans les produits d’e-cigarette, il convient également de prêter attention aux formes de nicotine présentes dans ces produits afin de lutter contre la dépendance à la nicotine au sein de la population.
1. Introduction : cigarettes électroniques
Les cigarettes électroniques (e-cigarettes) sont l’un des produits les plus controversés dans le monde du tabac. Contrairement aux cigarettes conventionnelles, ces dispositifs alimentés par des piles délivrent de la nicotine sans combustion. Le véhicule de la nicotine dans ces produits est l’e-liquide, qui est un mélange de propylène glycol (PG) et de glycérine végétale (VG) dans des proportions variables. La concentration de nicotine dans ces e-liquides peut varier de 0 à plus de 50 mg/ml, la teneur réelle s’écartant souvent de ce qui est indiqué sur l’étiquette. Outre la nicotine, le PG et la VG, ces e-liquides contiennent divers produits chimiques aromatisants, de l’éthanol et de l’eau dans des proportions variables. En 2014, plus de 7700 combinaisons d’arômes étaient disponibles sur le marché de l’e-cigarette. Ce nombre pourrait avoir augmenté depuis. Depuis août 2016, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis réglemente ces produits ; toutefois, la limite de la concentration de nicotine et la liste des ingrédients autorisés dans ces produits n’ont pas encore été spécifiées.
Depuis plus d’une décennie, les e-cigarettes évoluent rapidement. Lorsque les e-cigarettes ont été introduites sur le marché américain vers 2007, leur conception était simple et elles étaient connues sous le nom d’e-cigarettes de première génération. Il s’agissait d’appareils ressemblant à des cigares, dotés de batteries fixes et à faible voltage. Les dispositifs de deuxième génération, appelés clearomiseurs, sont dotés de batteries plus grandes et à tension variable. Les appareils de troisième génération sont connus sous le nom de Mods. Ces derniers permettent aux utilisateurs de varier la tension, la puissance, la température et le type de bobine. Les Mods se présentent généralement sous différentes formes avec de grands réservoirs de liquide qui peuvent être démontés pour permettre une plus grande personnalisation en termes de volume d’e-liquide. Avec l’évolution des technologies de l’e-cigarette, de nouveaux dispositifs sont continuellement introduits sur le marché. En 2017, JUUL Labs, Incorporated (JUUL, San Francisco, États-Unis) a lancé son dispositif à base de POD, qui est devenu un dispositif populaire parmi les jeunes. Ces dispositifs à base de POD sont en forme d’USB et contiennent des sels de nicotine, en particulier du benzoate de nicotine. L’interdiction initiale par la FDA américaine de certaines dosettes aromatisées d’e-cigarettes à système fermé, telles que JUUL saveur mangue, a incité les fabricants d’e-cigarettes à introduire d’autres dispositifs similaires en comblant les lacunes de l’interdiction. Parmi ces dispositifs figurent les Puff bars (Puff Bar, CA, USA), des e-cigarettes jetables à usage unique et aux arômes multiples (récemment interdites en juillet 2020). Ce marché en constante évolution de dispositifs d’e-cigarettes non réglementés présente un grand danger en raison de l’absence de contrôle de la qualité de ces produits. Un contrôle de qualité inadéquat peut avoir un impact sur l’administration de la nicotine, les substances toxiques libérées et les caractéristiques de sécurité des dispositifs. Néanmoins, malgré les efforts maximaux déployés par la FDA américaine, des lignes directrices solides pour la réglementation des dispositifs d’e-cigarette n’ont pas encore été établies.
Alors que la consommation de cigarettes chez les collégiens et les lycéens a considérablement diminué (de 4,3 % en 2011 à 2,3 % en 2019 pour les collégiens et de 15,8 % en 2011 à 5,8 % en 2019 pour les lycéens), l’utilisation de l’e-cigarette chez eux a augmenté de façon spectaculaire, ce qui a inversé les progrès réalisés en matière de réduction de la consommation globale de tabac. Avec plus de 5 millions de collégiens et lycéens ayant utilisé des e-cigarettes aux États-Unis, il est important de s’attaquer aux problèmes de dépendance à la nicotine chez les jeunes. Il convient de tenir compte de l’administration de la nicotine et des facteurs qui l’influencent. Plusieurs études ont identifié les facteurs qui peuvent affecter l’administration de la nicotine, seuls ou combinés. Ces facteurs interdépendants comprennent la concentration de nicotine, le rapport entre le propylène glycol (PG) et la glycérine végétale (VG), le type de dispositif d’e-cigarette, la puissance de la batterie, le profil de bouffée et les arômes. Comme indiqué précédemment, les niveaux de nicotine non réglementés dans les e-liquides peuvent exposer les utilisateurs à des niveaux élevés de nicotine. En outre, Kosmider et al ont constaté que la délivrance de nicotine augmentait avec une teneur en PG plus élevée à faible puissance. Baassiri et al. ont également constaté que la diminution du rapport PG/VG réduisait le taux de nicotine délivré. En outre, DeVito et al ont résumé de nombreuses études dans leur article de synthèse qui montre que des puissances plus élevées d’e-cigarettes avancées peuvent augmenter la quantité de nicotine aérosolisée et accroître l’administration de nicotine. Les arômes jouent également un rôle important dans le choix et la dépendance aux e-cigarettes, en particulier chez les jeunes. Dans l’étude menée par Helen et al, il a été constaté que les arômes affectaient l’administration de nicotine en modifiant le comportement de bouffée ainsi que le pH de l’e-liquide. Certains auteurs ont également étudié la stabilité de la nicotine dans les e-liquides au fil du temps, car la nicotine peut se dégrader pour former des produits tels que l’oxyde de nicotine, la cotinine et la myosmine. Ces études de stabilité ont montré que les produits de dégradation de la nicotine ne représentaient pas plus de 2 % de la teneur en nicotine des e-liquides. Par conséquent, la stabilité n’est pas un facteur majeur affectant la diffusion de la nicotine.
Au cours des dernières années, des recherches approfondies ont été menées pour identifier les effets des facteurs susmentionnés sur la libération de nicotine. Cependant, il existe peu de recherches sur l’effet de la (des) forme(s) de nicotine, c’est-à-dire la base protonée et la base libre, sur la libération de la nicotine. Cette étude vise à résumer les effets potentiels de la forme de nicotine sur l’administration de la nicotine, les mécanismes possibles de ces effets, les méthodes de détermination de la teneur en nicotine libre des e-liquides et les réglementations relatives aux e-cigarettes prises en compte pour les formes de nicotine.
2. Nicotine : propriétés physiques et chimiques
La nicotine, l’un des principaux composants des cigarettes et des e-cigarettes, est un alcaloïde végétal naturel. C’est un liquide jaune pâle d’une densité de 1,01 g/cm3. Il s’agit d’un composé bicyclique d’un poids moléculaire de 162,23 g/mol avec un anneau pyridine et un anneau pyrrolidine (Figure 1).
Avec deux azotes, un sur chaque anneau, la nicotine présente deux pKa. L’azote du cycle pyrrolidine est plus basique (pka = 8,10 à 25°C) que celui du cycle pyridine (pka = 3,41 à 25°C). Bien que la nicotine soit une molécule lipophile avec un log P de 1,17, elle est miscible à l’eau. Sur la base des deux pKa, la nicotine peut exister sous trois formes en fonction du pH du solvant (Figure 1). Ces trois formes sont la nicotine diprotonée, la nicotine mono-protonée et la nicotine de base libre (non protonée). La contribution de l’anneau pyridine à l’ionisation de la nicotine peut être négligée car son pKa est très faible et la forme diprotonée ne peut exister qu’à un pH < 5,5. Pour étudier l’effet de la forme de la nicotine sur le profil d’absorption de la nicotine dans les cigarettes et les e-cigarettes, seules les formes mono-protonées et les formes de base libres jouent un rôle important. Dans les e-cigarettes, les e-liquides sont le véhicule de la nicotine. La composition de ces e-liquides détermine le rapport entre la base libre et la nicotine protonée. Récemment, divers sels de nicotine ont été introduits sur le marché de l’e-cigarette. Ces sels comprennent le lactate, le benzoate, le malate, le salicylate, le lévulinate et le tartrate. Dans tous les sels de nicotine, l’azote de la pyrrolidine est converti en une forme protonée. Ce passage de la nicotine de base libre à la nicotine protonée est devenu un sujet d’intérêt en raison de leurs différents effets sensoriels et d’absorption. Les effets sensoriels peuvent être multifactoriels, mais certaines études ont suggéré que la nicotine de base libre a des effets sensoriels plus sévères dans la gorge que la nicotine protonée à base de sel. De même, les profils d’absorption de ces deux formes de nicotine se sont révélés différents dans de nombreuses études. Compte tenu de ces propriétés distinctes des formes de nicotine, il devient important d’étudier leur effet sur l’administration de la nicotine, qui affecte finalement le potentiel de dépendance de la nicotine.
3. Potentiel addictif de la nicotine
La nicotine est bien connue pour ses propriétés addictives grâce à son action sur le système nerveux central (CNS). La principale cible de la nicotine est constituée par les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine, qui sont principalement situés dans les systèmes nerveux central et périphérique, ainsi que dans les muscles. Parmi ces récepteurs, ceux du cerveau jouent un rôle essentiel dans la dépendance à la nicotine. Il existe un certain nombre de sous-unités de récepteurs nicotine-acétyl-choline dans le cerveau des mammifères. Les récepteurs à haute affinité pour la nicotine sont composés des sous-unités α4 et β2. Après inhalation de cigarettes ou d’e-cigarettes, la nicotine pénètre dans la circulation sanguine veineuse pulmonaire et atteint le cerveau par la circulation artérielle en 10 à 20 secondes. Une fois dans le cerveau, elle se lie aux récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine et libère un certain nombre de neurotransmetteurs tels que la dopamine. Cette dopamine joue un rôle essentiel dans les sensations agréables et le mécanisme de récompense qui déclenche la dépendance à la nicotine. Avec l’augmentation de l’exposition à la nicotine, le nombre de sites de fixation de la nicotine augmente dans le cerveau et le système neurologique s’adapte aux effets pharmacologiques de la nicotine, ce qui renforce encore la dépendance à la nicotine]. Chez les jeunes (<25 ans), la zone du cortex préfrontal du cerveau n’est pas complètement développée et une forte absorption de nicotine peut augmenter les sites de fixation de la nicotine et affecter le développement du cortex préfrontal, ce qui entraîne un manque d’attention et des effets durables sur les fonctions cognitives]. Après la dépendance, un arrêt soudain de l’exposition à la nicotine entraîne des symptômes de sevrage de la nicotine qui sont difficiles à gérer. Il devient donc extrêmement important de gérer l’exposition à la nicotine, en particulier chez les jeunes, afin de les empêcher de développer une dépendance potentielle à vie et d’éviter les symptômes de sevrage.
Actuellement, le marché de l’e-cigarette n’est pas bien réglementé aux États-Unis. Bien que la FDA ait commencé à prendre des mesures appropriées, les jeunes Américains risquent toujours de devenir dépendants de la nicotine à cause des e-cigarettes. Dans une enquête réalisée en 2019, plus de 5 millions de collégiens et de lycéens ont déclaré avoir utilisé des e-cigarettes au cours des 30 derniers jours. Outre les facteurs sociaux et environnementaux, plusieurs paramètres associés aux e-cigarettes peuvent influencer la délivrance de nicotine aux vapoteurs. Ces facteurs comprennent les concentrations de nicotine non réglementées dans les e-liquides, le rapport PG:VG, les arômes, les dispositifs d’e-cigarette non réglementés susceptibles de modifier l’apport de nicotine aux utilisateurs en variant les puissances de sortie, le comportement de bouffée et enfin, mais surtout, la nature de la forme de nicotine dans l’aérosol de l’e-cigarette.
4. Effet de la forme de la nicotine sur le profil d’absorption de la nicotine
Comme pour les e-cigarettes, l’effet de la forme de la nicotine sur le profil d’absorption de la nicotine est l’un des sujets controversés dont les résultats de recherche sont contradictoires. Auparavant, les fabricants de tabac ont été accusés d’utiliser des substances chimiques alcalines telles que l’ammoniaque ou ses composés de base apparentés dans la fabrication des cigarettes. Leur but était de déplacer l’équilibre entre la forme protonée (NicH+) et la forme basique libre (Nic) de la nicotine dans le tabac pour une absorption rapide et efficace de la nicotine chez les consommateurs. Selon l’hypothèse de la partition du pH pour l’absorption des médicaments, toute molécule de médicament pénètre facilement la membrane biologique (à l’exception de barrières spécifiques telles que la barrière hémato-encéphalique) sous une forme unie. En raison de sa forme unie, la nicotine libre traverse facilement la membrane biologique des voies respiratoires, ce qui entraîne une absorption rapide de la nicotine. En outre, le dépôt rapide de nicotine libre dans les voies respiratoires supérieures s’est avéré avoir des effets sensoriels aigus et soudains. Cet effet sensoriel a été qualifié d’âpreté ou d’impact.
Pour explorer les raisons de ces pratiques suivies par les fabricants de tabac, de nombreux chercheurs ont mené des études in vitro et in vivo pour expliquer l’effet de la forme de la nicotine sur l’absorption de la nicotine. Takano et al ont réalisé des études in vitro sur l’absorption de la nicotine dans les cellules alvéolaires (cellules épithéliales alvéolaires primaires cultivées chez le rat) et ont montré que le transport de la nicotine s’effectuait par simple diffusion et par transport médié par un transporteur. Sur la base de leurs résultats expérimentaux, le transporteur proposé pour la nicotine est un antiporteur couplé à un proton. Ces études in vitro sur l’absorption de la nicotine dans des cellules épithéliales alvéolaires primaires en culture ont montré que l’absorption de la nicotine était plus importante lorsque le pH extracellulaire était plus élevé. Shao et al ont réalisé une étude dans laquelle la nicotine était administrée à des rats sous forme d’aérosol. Les schémas pharmacocinétiques de la nicotine dans un scénario “humain fumant une cigarette” ont été simulés par l’inhalation d’aérosols de nicotine chez les rongeurs. Les auteurs ont montré que les valeurs de la CL50 de la nicotine changeaient de manière significative entre un pH de 6,8 (plus élevé) et un pH de 8,0 (plus bas). Adrian et al ont réalisé des études in vivo de perméabilité buccale de la nicotine qui ont montré que l’absorption de la nicotine par la muqueuse buccale dépendait du pH. La perméabilité buccale et l’absorption systémique de la nicotine augmentent avec la quantité de nicotine non ionisée. Les valeurs de Papp obtenues à partir d’études de perméabilité in vivo sur la muqueuse buccale indiquent que la simple diffusion passive est le mécanisme prédominant du transport de la nicotine à travers la muqueuse buccale. Burch et al ont étudié l’effet du pH sur l’absorption de la nicotine chez des fumeurs en bonne santé. Des solutions de nicotine avec un pH allant de 5,6 à 11 ont été utilisées pour l’inhalation d’aérosols. Les auteurs ont rapporté une augmentation moyenne plus importante de la concentration plasmatique de nicotine avec l’augmentation du pH.
En résumé, les études susmentionnées (voir tableau 1) ont montré que le taux d’absorption de la nicotine est plus élevé pour les solutions et aérosols de nicotine basiques que pour les solutions et aérosols de nicotine acides. En d’autres termes, l’absorption de la nicotine basique libre est plus élevée que celle de la nicotine protonée.
[TABLEAU 1]
En revanche, des études cliniques menées récemment ont montré que la nicotine protonée entraîne une absorption plus importante et plus rapide de la nicotine que la forme de base libre. Le brevet de Pax Labs a montré que les sels de nicotine, qui donnent principalement de la nicotine protonée, donnent des concentrations plasmatiques de nicotine (Cmax) plus élevées que la nicotine de base libre de même concentration pour un profil de bouffée donné. Selon l’étude clinique réalisée par PAX labs, le benzoate de nicotine à 2 % donne une Cmax trois fois plus élevée que la nicotine de base libre à 2 %. De même, une étude réalisée par O’Connell et al a montré que le lactate de nicotine donne une concentration plasmatique de nicotine (Cmax) plus élevée que la nicotine de base libre de même concentration en utilisant le même dispositif et les mêmes conditions de profil de bouffée telles que la durée de la bouffée, l’intervalle entre les bouffées et le nombre de bouffées. Comme le résume le tableau 2, ces études cliniques récentes fournissent des preuves solides que la nicotine protonée est responsable d’une absorption plus élevée et plus rapide de la nicotine que la nicotine de base libre. Compte tenu de ces résultats contradictoires (tableaux 1 et 2), certains auteurs ont également soutenu plus tôt qu’en raison de la grande surface des poumons et du pouvoir tampon du liquide qui les tapisse, le pH de l’aérosol de nicotine n’aurait pas d’incidence sur l’absorption de la nicotine.
[TABLEAU 2]
La question qui se pose ici est de savoir comment expliquer les résultats de ces études qui ont montré des résultats contradictoires sur les profils d’absorption des deux formes différentes de nicotine. Une explication possible peut être donnée en considérant deux propriétés importantes qui déterminent le site de dépôt de l’aérosol de l’e-cigarette : I) la distribution de la taille des particules de l’aérosol et II) les états physiques (c’est-à-dire les gouttelettes ou la phase vapeur) de la base libre et des formes protonées de nicotine dans l’aérosol.
5. Forme de nicotine, distribution de la taille et formes physiques de l’aérosol résultant
L’analyse granulométrique des aérosols d’e-cigarettes est un sujet largement étudié, mais qui manque de normalisation. Il convient de veiller à éviter toute confusion en ce qui concerne les unités couramment utilisées pour rendre compte de la distribution granulométrique des e-liquides aérosolisés. Le dimensionnement effectué avec des instruments basés sur le comptage, tels que le Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) et l’Aerodynamic Particle Sizer (APS), est généralement rapporté en utilisant le diamètre médian de comptage (CMD). D’autre part, la taille mesurée à l’aide d’impacteurs est généralement indiquée en termes de diamètre aérodynamique médian de masse (MMAD), qui peut être relié au diamètre aérodynamique médian volumétrique (VMAD) si l’on connaît la densité de l’e-liquide. Quoi qu’il en soit, l’autre aspect important de la distribution des tailles, à savoir l’écart-type géométrique (GSD), est souvent négligé. Il est important de tenir compte de ce paramètre pour pouvoir convertir les différentes modalités de taille les unes par rapport aux autres. Un groupe d’équations de conversion pour les statistiques de distribution de taille a été initialement dérivé par Hatch et Choate, et leur utilisation a été décrite par Hinds à des fins de comparaison. Dans les futurs efforts de normalisation, les diamètres aérodynamiques sont privilégiés dans le contexte du dépôt respiratoire et des effets sur la santé des aérosols inhalés.
De nombreuses études ont fait état de la taille des particules selon diverses modalités. Zhang et al ont indiqué que la taille des particules d’e-cigarette correspondait à un diamètre aérodynamique volumétrique médian (VMAD) de 250-440 nm avec un GSD de 1,3-1,6. En étudiant l’effet des niveaux de puissance sur la taille des particules, Pourchez et al ont signalé une corrélation positive entre les niveaux de puissance et la taille des particules de l’aérosol des e-cigarettes. Ils ont rapporté une taille de particule en tant que diamètre aérodynamique médian de masse (DAMM) de 613-949 nm pour une gamme de puissance de 7-22 W. Aldreman et al ont étudié trois e-cigarettes (cartomiseurs et jetables) et ont rapporté une taille de particule d’aérosol (MMAD) allant de 534 à 631 nm avec un GSD de 1,50 à 1,52. Oldham et al ont analysé 20 cartouches différentes utilisant un dispositif d’e-cigarette non spécifié et ont rapporté la taille des particules (MMAD) proche de 1 mm ou plus (par exemple 0,9-1,2 mm, GSD 1,7-2,2). Son et al ont constaté que le diamètre médian de masse (MMD) de l’aérosol pour une gamme de paramètres du dispositif et de l’e-liquide était proche de 3 μm. Un certain nombre d’autres études ont rapporté la taille des particules en tant que diamètre médian de comptage (CMD) allant de 18 à 386 nm. Cette large gamme et ces désaccords dans les différentes modalités de mesure de la taille sont principalement dus à l’absence de conditions de dimensionnement contrôlées ou cohérentes, telles que la variation du taux de dilution (c’est-à-dire l’air ajouté à la concentration initiale de l’aérosol provenant du dispositif), la puissance de sortie, les e-liquides à base de propylène glycol par rapport aux e-liquides à base de glycérine végétale, les différents arômes d’e-liquides, le volume de bouffée, la température et l’humidité relative dans les différentes études. Par conséquent, dans le cadre du processus de normalisation, il convient de s’efforcer de réaliser des expériences contrôlées de mesure de la taille des particules dans des conditions cohérentes permettant de présenter les résultats selon des modalités comparables.
Comme le résume le tableau 2, les études cliniques menées par Pax Labs et O’Connell et al. ont utilisé respectivement les e-cigarettes JUUL et myblu™. Ces dispositifs sont similaires aux e-cigarettes de 1ère génération avec de faibles puissances de sortie et ne disposent pas des options de variabilité de puissance. La taille de l’aérosol généré par ces dispositifs devrait être principalement de l’ordre du submicron. Récemment, Clapp et al ont présenté à la Society of Toxicology un ensemble de données indiquant que la taille des particules (MMAD) de l’aérosol de l’e-cig JUUL était de 0,53 μm. En revanche, l’étude menée par Shao et al. (tableau 1) sur l’aérosol d’une solution de nicotine dans l’eau a révélé que la MMAD de l’aérosol était comprise entre 1,95 et 3,55 μm. La solution de nicotine a été administrée à l’aide d’un atomiseur à collision (BGI Inc.) au lieu d’une e-cigarette et l’augmentation de la taille a été associée à l’augmentation de la concentration de nicotine dans la solution. De même, dans une étude clinique réalisée par Burch et al, la taille des particules (MMAD) de l’aérosol était de 8,5 μm. Ces particules plus grosses se déposent principalement dans la cavité oropharyngée et les voies respiratoires supérieures en raison de la filtration par impaction au moment du pic d’inhalation et de la sédimentation gravitationnelle pendant la retenue de la respiration, de sorte que la quantité d’aérosol atteignant les alvéoles est réduite. Dans ce cas, l’absorption de la nicotine se fait davantage par la membrane oropharyngée et des voies respiratoires en contact direct que par le dépôt alvéolaire dans les poumons, contrairement à l’absorption de particules d’aérosol de taille submicronique. Comme dans les études in vitro réalisées précédemment par Takano et al et l’étude de perméabilité buccale réalisée par Adrian et al, l’hypothèse de la partition du pH se vérifie dans ces cas où la nicotine de base libre présente une absorption plus élevée que la nicotine protonée à travers la membrane biologique en contact direct. D’autres recherches visant à vérifier l’effet de la forme de la nicotine sur la distribution de la taille de l’aérosol sont encore nécessaires pour expliquer l’amélioration de l’absorption qui en résulte en fonction du modèle de dépôt régional.
Avec une distribution granulométrique inférieure au micron, les particules d’aérosol de l’e-cigarette ont une probabilité plus élevée d’atteindre les petites voies respiratoires et les alvéoles, où le taux d’absorption est plus élevé que dans les voies respiratoires supérieures. Le devenir des dépôts d’aérosols d’e-cigarettes est également affecté par les états physiques des mélanges d’aérosols résultant des formes de base libre et de nicotine protonée. Selon la théorie de Pankow, la nicotine présente dans l’aérosol existe sous forme protonée ou sous forme de base libre en fonction de la composition chimique de l’aérosol. La nicotine sous forme de base libre peut exister sous forme de particules ou de gaz, tandis que la nicotine protonée ne peut exister que sous forme de particules. Sur la base de la théorie du dépôt en aérosol, une explication possible de l’absorption plus importante et plus rapide de la nicotine sous sa forme saline (protonée) pourrait être que la nicotine protonée dans l’aérosol a plus de chances d’atteindre les poumons, car la nicotine protonée est moins volatile que la nicotine de base libre. Lorsque l’aérosol d’e-cigarette est un mélange dynamique de phases de gouttelettes et de vapeur, par exemple lorsque la nicotine est sous forme de base libre, les deux phases se transforment continuellement l’une en l’autre par condensation ou évaporation, tandis que chaque phase est éliminée par l’absorption de vapeur et le dépôt de gouttelettes sur les parois. Alors que l’on peut s’attendre à un dépôt de gouttelettes à la fois sous la forme de base libre et sous la forme protonée, l’absorption de vapeur n’est attendue que sous la forme de base libre. Ainsi, la forme base libre contribue à plus de pertes dans la région oropharyngée, ce qui explique la sensation de dureté et la diminution de l’apport aux poumons.
En outre, la fraction de la forme gazeuse de nicotine base libre atteignant les voies respiratoires inférieures a plus de chances d’être exhalée que celle de la forme particulaire. Jabbal et al ont fait valoir que même si les particules submicroniques ont également une forte probabilité d’être exhalées, cette probabilité est contrebalancée par leur capacité à se répartir en profondeur dans les poumons. Néanmoins, pour répondre au problème de l’exhalation, la nature chargée des particules de nicotine protonées doit être prise en compte. Les particules submicroniques dont la surface est chargée ont une plus grande propension à s’accrocher aux parois des alvéoles et se déposent donc plus facilement que les particules non chargées.
Ainsi, les sels de nicotine entraînent une Cmax plus élevée que la nicotine libre. Compte tenu de la grande surface des poumons et du pouvoir tampon du liquide de revêtement, on peut affirmer qu’une fois dans les poumons, la nicotine, quel que soit son état de charge, peut facilement être absorbée dans le sang. Selon cet argument, le mécanisme d’absorption de la nicotine à travers la membrane cellulaire, qui n’est pas bien compris, n’est pas pertinent. C’est plutôt la quantité de nicotine atteignant les poumons qui affecte la concentration plasmatique de nicotine et cette quantité de nicotine atteignant les poumons est affectée par la forme de nicotine contenue dans l’aérosol.
Cela dit, une étude clinique indépendante visant à comprendre le profil d’absorption de la nicotine protonée par rapport à la nicotine libre dans différentes conditions de vapotage est toujours nécessaire pour conclure cette explication.
6. Méthodes de détermination de la nicotine de base libre : avant et après la vaporisation de l’e-cigarette
Comme décrit ci-dessus, la distribution de nicotine aux vapoteurs est affectée par la teneur en nicotine de base libre ou protonée de l’e-cigarette. Il est donc nécessaire de déterminer la teneur en nicotine de base libre ou protonée des e-liquides et de les classer en fonction de cette teneur. Ce rendement peut être calculé à la fois dans des conditions de pré-vaporisation et de post-vaporisation et a été rapporté comme fraction ou pourcentage de nicotine totale.
Actuellement, deux approches complémentaires sont suivies pour calculer le rendement en nicotine de base libre dans les conditions de pré-vaporisation des e-liquides. La première est l’approche par dilution et la seconde est l’approche sans dilution. L’approche par dilution est suivie par deux méthodes qui sont la méthode Henderson-Hasselbalch et la méthode d’extraction liquide-liquide. L’approche sans dilution est suivie par la méthode RMN 1H.
Dans le cadre de l’approche par dilution, El-Hellani et al. ont établi une méthode d’extraction liquide-liquide pour calculer la teneur en nicotine de base libre dans les e-liquides. Une étude réalisée par Gholap et al et Duell et al a montré que la méthode d’extraction liquide-liquide présente l’inconvénient d’une quantification imprécise de la teneur en nicotine de base libre dans les e-liquides. La méthode d’extraction n’est pas spécifique à la nicotine et peut être affectée par les produits chimiques aromatisants contenus dans les e-liquides. En outre, les e-liquides dilués dans l’eau peuvent être un mélange d’acides ou de bases faibles et, selon le principe de Le Chatelier, après une seule extraction de nicotine de base libre (Nic) dans un solvant organique, il peut y avoir un changement d’équilibre entre Nic et NicH+ avant la deuxième extraction. Les résultats obtenus par la méthode d’extraction liquide-liquide peuvent donc être surestimés.
Une autre méthode relevant de l’approche par dilution est la méthode Henderson-Hasselbalch. Cette méthode a été utilisée par de nombreux auteurs en diluant des e-liquides dans une quantité fixe d’eau, puis en mesurant le pH. Cette méthode de dilution a également été utilisée pour la caractérisation analytique du tabac sans fumée. Il s’agit d’une approche qui tient compte du pH et qui est considérée comme donnant une échelle relative pour la mesure de la nicotine de base libre et la classification des e-liquides sur cette base. La méthode Henderson Hasselbalch de l’approche de la dilution pourrait s’expliquer par le fait qu’après inhalation de la vapeur/aérosol de l’e-cigarette, celle-ci subit un processus de condensation rapide dans la cavité buccale. Ce processus à plusieurs composantes est caractérisé par des étapes telles que la nucléation, la condensation de la vapeur environnante, la coagulation et l’absorption hygroscopique de l’eau dans la cavité buccale. En bref, les gouttelettes d’aérosol condensées sont un mélange complexe de propylène glycol, de glycérine végétale, de nicotine (base libre et formes protonées), de produits chimiques aromatisants, de dégradants possibles après vaporisation et d’eau qui prédomine pendant la croissance hygroscopique des particules dans l’environnement humide de la cavité buccale. En outre, les gouttelettes se déposent dans les voies respiratoires et sont ensuite diluées. L’approche de la dilution est basée sur le même principe de condensation et de dépôt de l’aérosol d’e-cigarette dans les voies oropharyngées.
Bien que cette méthode puisse fournir une caractérisation précieuse des e-liquides en termes de teneur en nicotine de base libre, elle doit être utilisée avec prudence compte tenu de certaines préoccupations. Après dilution, un système de solvant est un mélange d’eau, de nicotine, de PG, de VG et de produits chimiques aromatisants. Ce mélange, en particulier le PG et le VG, peut affecter la constante d’autoprotolyse de l’eau et modifier le pKa de la nicotine. Selon le modèle mathématique de l’aérosol d’e-cigarette inhalé présenté par Asgharian et al, la concentration en vapeur de chaque constituant de l’aérosol d’e-cigarette dans la cavité buccale joue un rôle important dans la formation de gouttelettes par condensation. Parmi tous les constituants, la vapeur d’eau a la concentration la plus élevée compte tenu de la forte humidité de la cavité buccale. Ainsi, la teneur en eau prédomine dans le processus de condensation (croissance) et de dépôt des particules. Compte tenu de cette forte teneur en vapeur d’eau, il est important d’étudier le facteur de dilution dans le cadre de l’approche de la dilution de manière à annuler l’effet du PG et du VG sur la constante d’autoprotolyse de l’eau. Comme le décrivent Gholap et al, une dilution fixe, par exemple 10X ou plus, peut atténuer l’effet du PG, du VG et des produits chimiques aromatisants sur la constante d’autoprotolyse de l’eau et le pKa de la nicotine. Cela dit, le facteur de dilution reste un nombre arbitraire puisque la fraction réelle d’eau dans le processus de condensation peut ne pas être déterminée.
L’effet de la concentration ionique sur l’ionisation de la nicotine (NicH+) après dilution est une autre préoccupation liée à cette méthode. À l’heure actuelle, le contenu des e-liquides n’est pas indiqué sur les emballages ou les contenants des e-liquides et il n’est pas possible de calculer la force ionique du solvant après dilution. Le coefficient d’activité (γ) des ions H+ (nécessaires à la protonation de la nicotine) peut être affecté (0,96-0,83) dans la plage de 0,001-0,1 M de la force ionique. Ce petit changement dans les coefficients d’activité ne devrait pas affecter le calcul de la base libre de la nicotine dans une large mesure en raison de la fonction logarithmique de l’équation de Henderson-Hasselbalch (équation 1). Néanmoins, cela reste une limitation de la méthode de dilution de Henderson-Hasselbalch. C’est pourquoi certains scientifiques ont demandé une approche alternative à la méthode Henderson-Hasselbalch.
L’une des principales critiques de l’approche par dilution est la modification du système de solvants des e-liquides après la dilution. Cette critique est valable si la mesure de la nicotine de base libre est effectuée avant la vaporisation dans la solution native de l’e-liquide.
L’une de ces approches alternatives est l’approche sans dilution, qui est suivie par la méthode RMN 1H décrite par Duell et al. Cette méthode donne une échelle absolue de la teneur en nicotine de base libre dans les e-liquides en analysant les e-liquides dans leur solvant d’origine. Plusieurs e-liquides ont été analysés par Duell et al en utilisant cette approche. Cette nouvelle approche est prometteuse mais, compte tenu de la complexité de l’analyse, la méthode doit être testée en détail pour des paramètres tels que le chevauchement de la région du pic -CH3 de la nicotine avec celle des produits chimiques aromatisants, la sélectivité, la résolution, la limite de détection, la dérive de la ligne de base et une autre méthode de validation pour surmonter ces problèmes.
Le rendement après vaporisation de la nicotine de base libre dépend de son rendement avant vaporisation. En outre, le rendement de post-vaporisation de la nicotine de base libre peut être affecté par plusieurs facteurs tels que l’arôme, le rapport PG:VG, la forme de nicotine, la topographie de la bouffée et la puissance de la batterie. Il est donc également nécessaire de mesurer le rendement en nicotine de base libre en condition de post-vaporisation.
L’aérosol de post-vaporisation est une phase très instable à analyser en l’état. Il est donc nécessaire de recueillir l’aérosol sur un support stable avant de l’analyser. La méthode Henderson Hasselbalch de l’approche par dilution fournit un support stable pour collecter l’aérosol en vue de l’analyse. Cependant, l’un des principaux défis de la méthode RMN 1H de l’approche sans dilution est qu’elle ne fournit pas de support pour collecter l’aérosol d’e-cigarette. Des recherches antérieures ont analysé l’aérosol post-vaporisé en le recueillant dans un tube d’échantillonnage RMN. Cette collecte peut conduire à une perte de la forme de base libre de la nicotine car elle est plus volatile. En outre, l’aérosol peut se déposer sur la partie supérieure du tube. Une telle analyse peut entraîner une surestimation ou une sous-estimation de la nicotine de base libre. Par conséquent, bien que prometteuse, l’approche sans dilution par RMN 1H doit être étudiée plus avant pour répondre à ce problème.
7. Conclusion
La popularité des e-cigarettes ne cessant de croître, en particulier chez les jeunes, l’exposition à la nicotine devrait être réglementée afin de lutter contre la dépendance à la nicotine chez les jeunes. Plusieurs facteurs influencent l’exposition à la nicotine d’un utilisateur. Les facteurs liés aux e-cigarettes comprennent le rapport entre le propylène glycol (PG) et la glycérine végétale (VG), le type de dispositif d’e-cigarette, la puissance de la batterie, le profil de bouffée, les arômes, la concentration de nicotine et enfin, mais c’est important, les formes de nicotine. L’étude résume l’impact des formes de nicotine sur l’administration de la nicotine. Les formes de nicotine, protonées (à base de sel) et sous forme de base libre, ont des effets sensoriels et d’absorption différents, comme l’explique la section 4. Les recherches limitées disponibles sur les formes de nicotine (tableaux 1 et 2) donnent des résultats contradictoires. Les limites de ces études incluent le manque de contrôles, de conditions cohérentes et d’approches standardisées en termes d’analyse, telles que les techniques de mesure de la taille des particules de l’e-cigarette, les profils de bouffées et les dispositifs d’essai. La section 5 de l’étude explique les raisons possibles de ces résultats contradictoires et recommande également des facteurs importants à prendre en compte pour une future étude clinique indépendante visant à comprendre le profil d’absorption de la nicotine protonée par rapport à la nicotine libre. Enfin, l’étude résume les différentes approches analytiques étudiées pour déterminer les fractions de nicotine à base libre ou protonée dans les e-liquides avant et après le vapotage. Bien qu’elles soient complémentaires et prometteuses, ces approches analytiques doivent faire l’objet de recherches plus approfondies afin de remédier à leurs limites. Une telle étude contribuera à terme à la normalisation de l’analyse des e-cigarettes et à l’établissement d’une relation étroite entre les différentes formes de nicotine et leur impact sur l’administration de la nicotine.
8. Opinion d’expert
L’exposition à la nicotine est un facteur important à prendre en compte dans la réglementation des produits d’e-cigarette. La FDA a entamé le processus de réduction de la concentration de nicotine dans les cigarettes. Cependant, elle n’a pas encore pris de mesures pour limiter les niveaux de nicotine dans les e-cigarettes. L’exposition à la nicotine via les e-cigarettes n’est pas seulement affectée par la concentration de nicotine, mais aussi par plusieurs facteurs tels que le rapport PG:VG, la puissance des batteries, les arômes et le profil des bouffées. Pour étudier l’exposition à la nicotine en fonction de ces facteurs, Shihadeh et al ont utilisé le terme “flux de nicotine”, qui correspond à la nicotine émise par bouffée seconde par un modèle d’e-cigarette donné dans des conditions d’utilisation données.
Le terme “flux de nicotine” décrit la nicotine totale émise dans des conditions données, mais ne tient pas compte de la fraction des différentes formes de nicotine émises. Comme décrit précédemment dans les sections 4 et 5, la forme de nicotine dans l’aérosol de l’e-cigarette est l’un des facteurs critiques affectant l’absorption de la nicotine. En outre, la fraction de la forme de nicotine (base libre ou protonée) dans l’aérosol de l’e-cigarette peut être affectée par le rapport PG:VG, la puissance des batteries et les arômes. Des études antérieures ont montré qu’à des réglages de puissance élevés, les arômes et l’augmentation de la teneur en VG augmentent les produits carbonylés dans l’aérosol de l’e-cigarette. Ces produits carbonylés comprennent le formaldéhyde, l’acétaldéhyde, l’acroléine et les acétals, pour n’en citer que quelques-uns. Les aldéhydes peuvent être facilement oxydés en acides en présence d’humidité, d’oxygène et d’une surface de bobine chauffée. L’acide acétique et l’acide formique sont également des produits de décomposition thermique bien connus du propylène glycol et de la glycérine végétale dans les e-liquides. Ces produits de décomposition sont bien connus pour leurs propriétés inflammatoires et cancérigènes. En outre, la nature acide de ces produits peut modifier le rapport des formes de nicotine dans l’aérosol, ce qui affecte l’absorption de la nicotine. Par conséquent, compte tenu des variations de flux fournies par les 3e et 4e générations d’e-cigarettes et de la popularité croissante des e-cigarettes à nicotine protonée à base de sel telles que JUUL, il est important de considérer la forme de nicotine comme un facteur important, parallèlement au flux de nicotine, lors de la régulation de l’exposition à la nicotine due aux e-cigarettes.
Une approche en deux étapes serait utile pour étudier les formes de nicotine. Tout d’abord, la détermination de la base libre ou de la forme protonée de la nicotine avant et après la vaporisation des e-liquides peut aider à classer les e-liquides en fonction de leur teneur en nicotine. Comme indiqué dans la section 6, des approches prometteuses et complémentaires sont actuellement étudiées pour mesurer les formes de nicotine avant et après la vaporisation des e-liquides. Toutefois, compte tenu de la complexité et des limites de chacune de ces approches, il convient de poursuivre les recherches afin de contribuer au processus de normalisation de l’analyse.
Deuxièmement, une étude clinique indépendante mesurant le profil de concentration plasmatique de nicotine en fonction de la forme de nicotine dans différentes conditions de bouffée est nécessaire. Comme le montre le tableau 2, les différentes formes de nicotine (sel ou base libre) sont censées présenter des profils de concentration plasmatique de nicotine en fonction du temps différents. Cependant, les données et les conditions d’étude étant limitées, il n’est pas encore possible d’établir une relation solide entre la forme de nicotine et les niveaux de concentration de nicotine dans le plasma. La section 5 décrit les raisons potentielles des résultats variables de ces études en tenant compte de paramètres critiques tels que la distribution de la taille des particules et l’état physique de la nicotine dans l’aérosol. En outre, une étude clinique détaillée indépendante devrait être menée dans des conditions contrôlées et cohérentes (normalisation) lors de l’utilisation de l’e-cigarette afin d’établir une relation solide entre les formes de nicotine et les niveaux de concentration de nicotine dans le plasma.
Cette approche en deux étapes permettrait de mieux comprendre l’effet des formes de nicotine sur l’exposition à la nicotine et contribuerait à une meilleure réglementation des e-cigarettes. Actuellement, la réglementation des e-cigarettes est un problème à multiples facettes. Si l’on se préoccupe davantage de lutter contre la dépendance à la nicotine chez les jeunes, il est également essentiel d’offrir aux adultes des alternatives moins nocives aux produits du tabac pour lutter contre la dépendance. Comme décrit ci-dessus, l’exposition à la nicotine est affectée non seulement par la concentration de nicotine, les réglages de l’appareil, les ingrédients des e-liquides, mais aussi par les formes de nicotine. Comme l’indiquent Shihadeh et al, la réglementation d’un seul facteur à la fois peut avoir des effets indésirables sur la santé. Par exemple, limiter uniquement la concentration de nicotine peut inciter les utilisateurs à utiliser des réglages de puissance élevés pour obtenir le rendement en nicotine souhaité. Ces réglages de puissance élevés peuvent modifier le ratio des formes de nicotine et exposer une personne à des composés toxiques générés par les ingrédients des e-liquides (PG, VG et arômes). Par conséquent, il convient de rechercher des réglementations multidimensionnelles pour les e-cigarettes afin de lutter contre l’exposition à la nicotine et de les considérer comme une alternative plus sûre aux cigarettes combustibles.
