R. Danser & F. Rustemeyer
N&G, Scheikunde
Vossius Gymnasium, 6D & 6B
C. van Dijk
22-11-2016
Inhoudsopgave
Inleiding en hypothese
1 De normale sigaret ……………………………………………………………………. 4
1.1 De bestandsdelen van een sigaret……………………………………………………… 4
Het ontstaan van sigarettenrook ……………………………………………………….. 9
2 De e-sigaret
2.1 De werking ……………………………………………………………………………………… 10
2.2 De stoffen in de e-sigarettendamp ……………………………………………………. 11
3 Gifstoffen ………….………………………………………………………………………….. 14
3.1 Koolstofmonoxide……………………………………………………………………………. 14
3.2 Nicotine…………………………………………………………………………………………… 15
3.3 Teer ………………………………………………………………………………………………… 16
3.4 Ammoniak ………………………………………………………………………………………. 17
4 Longziektes ………………………………………………………………………………… 19
4.1 COPD ………………………………………………………………………………………………. 19
4.2 Longkanker …………………………………………………………………………………….. 21
5 Beschrijving van ons onderzoek …………………………………………….. 22
6 Resultaten …………………………………………………………………………………… 27
7 Conclusie ……………………………………………………………………………………… 29
8 Discussie ……………………………………………………………………………………… 30
9 Bijlagen ………………………………………………………………………………………… 32
9.1 Het ontstaan van TNF α ……………………………………………………………………. 32
9.2. Spectrofotometer ……………………………………………………………………………… 33
9.3 Elisa ………………………………………………………………………………………………. 34
9.4 Microplate reader ……………………………………………………………………………… 36
9.5 Logboek …………………………………………………………………………………………… 37
10 Bronvermelding ………………………………………………………………………… 38
Inleiding
Veel mensen roken, te veel, en hoe de overheid ook hun best doet om deze mensen te laten stoppen met roken doormiddel van afschrikwekkende foto’s en hoge accijnzen, het wil maar niet lukken. Het grootste probleem is dat veel rokers, wat ze ook doen, niet meer kunnen stoppen met roken; ze zijn verslaafd geraakt aan het roken van sigaretten. De enige mogelijkheid om deze mensen te laten stoppen was door ze naar een afkick kliniek te sturen, maar dat hoeft nu niet meer, of toch wel?
Er is namelijk iets nieuws ontwikkeld; de E-sigaret. Dat is een elektrische sigaret die véél minder schadelijk is voor de gezondheid dan de oude sigaretten, althans dat claimen de fabrikanten. Deze E-sigaretten zie je langzaam maar zeker steeds vaker, mensen kunnen blijkbaar overstappen van een normale sigaret naar een E-sigaret. De volgende stap om mensen daadwerkelijk te laten stoppen is nog niet in zicht, maar dit is een begin, of toch niet?
Er verschijnen de laatste jaren steeds vaker berichten in kranten waarin staat dat een E-sigaret een x aantal keer slechter voor de gezondheid is. Met dit soort berichten worden de E-sigaretten natuurlijk niet echt positief ontvangen. In dit profielwerkstuk gaan wij een antwoord vinden op de vraag of een E-sigaret schadelijker is voor de gezondheid dan normale sigaretten.
Onderzoeksvraag:
Is een e-sigaret schadelijker voor de gezondheid dan een normale sigaret?
Deelvragen:
– Hoe werkt een e-sigaret?
– Welke stoffen bevat de e-sigaret?
– Hoe werkt een normale sigaret?
– Wat zit er in een normale sigaret?
– Wat is nicotine?
– Wat is koolstofmonoxide?
– Wat is teer?
– Wat is ammoniak?
Hypothese
Wij veronderstellen dat een normale sigaret schadelijker is voor de gezondheid, omdat wij denken dat er veel meer schadelijke stoffen in je longen komen bij het roken van een normale sigaret dan bij het roken van een e-sigaret. Deze schadelijke stoffen, waarvan er bij de normale sigaret meerdere zijn en bij een e-sigaret het er maar een is, namelijk nicotine, maken de longcellen kapot en kunnen kanker veroorzaken wat zich dan weer door het hele lichaam kan verspreiden.
1 De normale sigaret
1.1 De bestandsdelen van een sigaret
Een sigaret kan je onderverdelen in drie onderdelen:
– De tabak en toevoegingen
– Het filter
– Het papier
Tabak en toevoegingen
De tabak van een sigaret bestaat uit verschillende soorten tabak uit Brazilië, de Verenigde Staten en een aantal Afrikaanse landen. Naar de aanwezige stoffen in tabak, dus tevens de sigaret, is veel onderzoek gedaan. In de afgelopen 40 jaar zijn er ruim 3000 verschillende stoffen in de tabak aangetroffen. Later in ons verslag worden een aantal stoffen beschreven.
In de tabaksindustrie worden ongeveer 600 verschillende toevoegingen gebruikt. Ze worden voor verschillende redenen toegevoegd.
Ten eerste worden verschillende stoffen toegevoegd om de opname van nicotine te verhogen. Door de nicotine opname te verhogen zal de verslavende werking van de sigaret toenemen en zullen er meer sigaretten worden verkocht. Vaak worden stoffen toegevoegd die een luchtwegverwijdend effect hebben, zodat de rook met de nicotine dieper de longen in kan dringen. Veelal word er gebruikt gemaakt van stoffen die ook tot een smaakverbetering leiden, zoals theobromine en cafeïne.
Ook worden er veel geur- en smaakstoffen toegevoegd om de smaak en geur te verbeteren. Suiker, honing en zoethoutextract zijn de meest gebruikte smaakstoffen.
Het filter
Een sigaret bevat een filter om gas en vaste deeltjes, zoals teer tegen te houden. Ook komen de ingrediënten van de sigaret minder diep in de longen. Meestal bestaat de filter uit filtreermateriaal van celluloseacetaat en actieve kool.
Structuurformule van celluloseacetaat
Door de koolstofatomen wordt er een vanderwaalskracht op de stoffen, die door het filter gaan, uitgeoefend. Door deze kracht zullen sommige stoffen worden tegengehouden of zal er een vermindering van hun snelheid optreden. Door de vermindering van de snelheid zullen de stoffen minder diep in de longen terecht komen. De vanderwaalskracht wordt groter, wanneer de grote van het molecuul toeneemt. Daarom wordt er dus een grotere vanderwaalskracht op teer uitgeoefend dan op de kleine stof, koolstofmonoxide. Op koolstofmonoxide wordt zo een kleine vanderwaalskracht uitgeoefend, dat koolstofmonoxide bijna niet door het filter wordt tegengehouden. Ongeveer 50% van het teer, dat door het filter gaat, wordt door het filter tegengehouden. Met polaire stoffen, dat zijn stoffen die oplosbaar zijn in water, zoals nicotine, wordt geen vanderwaalskracht uitgeoefend. Daarom wordt nicotine niet door het filter tegengehouden.
Het papier
Het papier om de tabak, ook wel sigarettenpapier genoemd, bestaat grotendeels uit cellulosevezels.
Structuurformule van cellulose
Het sigarettenpapier is poreus, waardoor er lucht van buiten de sigaret kan binnen dringen. Bij het nemen van een trekje worden de verbrandingsproducten en de hete lucht door de sigaret heen gehaald. Tijdens dit proces vult de lucht van buitenaf het luchttekort in de sigaret aan. Hierdoor worden de verbrandingsgassen gekoeld en verdund.
Hieronder staat een overzicht met de meest voorkomende stoffen in sigarettenrook. Deze gegevens zijn algemeen en zijn niet specifiek voor de sigaret, waarvan wij in ons onderzoek een extract van hebben genomen.
In ons onderzoek hebben wij een 3R4F sigaret van de Universiteit van Kentucky gebruikt. Dit is een onderzoekssigaret, ontwikkeld door de Tobacco Research & Development afdeling. Deze sigaretten worden wereldwijd gebruikt voor onderzoek, omdat de verschillende concentraties stoffen in de sigaret zijn vastgesteld door de universiteit. Ook is voor elke sigaret precies bekend welk tabak soorten de sigaret bevat. De Tobacco Research & Development afdeling heeft de 3R4F sigaret nog niet volledig geanalyseerd. Wel hebben ze een voorlopige analyse van de sigaret kunnen doen. In de voorlopige analyse hebben ze niet de concentraties van alle stoffen, die voorkomen in de sigarettenrook vastgesteld. Alleen de concentraties van nicotine, teer en koolstofmonoxide zijn bepaald.
Stof: mg/sig
Teer 9.4
Nicotine 0.73
Koolstofmonoxide 12.0
1.2 Het ontstaan van de sigarettenrook
De sigaret wordt aan de ene kant ontstoken en aan de andere kant wordt de rook geïnhaleerd. De temperatuur van het ontstoken uiteinde is binnenin de sigaret rond de 700-900 graden Celsius. Alleen aan het uiteinde van de sigaret vindt er een verbrandingsreactie plaats. De verbrandingsproducten worden samen met de hete lucht door de sigaret heen gehaald. Tijdens “de reis” van de verbrandingsproducten en de hete lucht naar de andere kant van de sigaret worden verschillende stoffen, zoals nicotine, meegenomen in de hete lucht. Zoals al eerder vermeld vult de lucht van buitenaf het luchttekort in de sigaret aan, waardoor de verbrandingsproducten verdund worden en de hete lucht gekoeld wordt.
Zo ontstaat de sigarettenrook die de gebruiker inademt
2 De e-sigaret
2.1 De werking
Een elektronische sigaret bestaat uit de volgende onderdelen:
– Led lampje
– Batterij. Bij het roken van de e-sigaret bevindt de batterij zich op het uiteinde van de e-sigaret. Bij de meeste e-sigaretten is de batterij ongeveer de helft zo groot als de gehele e-sigaret. De batterij van sommige e-sigaretten is vervangbaar of kan worden opgeladen door middel van een usb-poort. De e-sigaret in ons onderzoek had deze faciliteiten niet. Het was een wegwerpbaar model.
– Microprocessor. De microprocessor bevindt zicht tussen de luchtstroomsensor en de batterij en stuurt alle processen in de e-sigaret aan.
– Luchtstroomsensor. De luchtstroomsensor kan de luchtstroom, die door het zuigen op het mondstuk wordt veroorzaakt, detecteren en staat in verbinding met de microprocessor.
– Verdamper. De verdamper verhit de vloeistof doormiddel van een gloeidraadje en een lont. Daardoor verdampt de vloeistof(zie 2.2 voor meer informatie over de vloeistof).
– Vloeistoftankje. In het vloeistoftankje bevindt zich die vloeistof voor de e-sigaret. Er zijn vele soorten vloeistoffen verkrijgbaar. Zo kunnen de smaakstoffen verschillen en zijn er e-sigaretten op de markt zonder nicotine. Het vloeistoftankje is doorgaans gemaakt van kunststof of Pyrex glas.
– Mondstuk
Het gehele proces werkt als volgt:
Bij het zuigen op de e-sigaret wordt de luchtstroom door de luchtstroomsensor gedetecteerd en stuurt de sensor een signaal door aan de microprocessor.
Door het signaal wordt de microprocessor geactiveerd. Hierdoor stuurt de microprocessor een signaal aan het led lampje, waardoor die gaat branden. Ook activeert de microprocessor de verdamper.
Bij de activatie van de verdamper zal de batterij de gloeispiraal, binnen in de verdamper, opwarmen. Om de gloeispiraal zit een katoenen lont bevestigd. Deze lont bevindt zich ook in het vloeistoftankje en neemt de vloeistof op. De vloeistof verspreid zich over de gehele lont en wordt verdampt door de hitte van de gloeidraad.
Het gas dat is ontstaan gaat via het mondstuk uit de e-sigaret en wordt ingeademd door de gebruiker.
2.2 De stoffen in de e-sigarettendamp
In ons onderzoek hebben wij de wegwerp e-sigaret van het merk Supersmokerclub gebruikt. De vloeistof, die alle ingrediënten bevat, heeft een volume van 1ml. Voor ons onderzoek hebben wij een extract genomen met een volume van 4.17 E-2 ml.
Doormiddel van de ingrediëntenlijst op de achterkant van de verpakking, hebben wij de ingrediënten van de vloeistof in een tabel verwerkt.
Ingrediënt
Percentage in de e-sigaret(in%) Volume in ons extract (in ml)
Nicotine 1.8 7.50E-02
Water 13 5.42E-03
Glycerol 50 2.08E-02
Propyleen Glycol 49 2.04E-02
Tabak smaakstof 2 8.33E-04
Vanille 1 4.17E-04
Labdanum 1 4.17E-04
Sinaasappelolie 1 4.17E-04
Nootmuskaatolie 0.5 2.08E-04
Gemberolie 1 4.17E-04
Menthol 1 4.17E-04
Ethylacetaat 0.1 4.17E-05
Tolubalsem 0.4 1.67E-04
2,3,5,6-Tetramethylpyrazine 0.5 2.08E-04
Ethylmaltol 1 4.17E-04
2-Acethylpyrazine 0.5 2.08E-04
3-methyl-2-cyclopen-1-one 1 4.17E-04
Ook staat er op de verpakking dat de e-sigaret 18mg/ml nicotine bevat. De gehele e-sigaret met een volume van 1 ml bevat dus 18 mg nicotine. Ons extract met een volume van 4.17 E-2 ml bevat 0,75 mg nicotine. (Zie H3 voor een uitleg van de stof nicotine)
Volgens de producenten is nicotine de enige gifstof, die de e-sigaret bevat. Wij betwijfelen dit. Wij veronderstellen dat de e-sigaret ook ammoniak bevat (zie H3 voor verdere uitleg)
Smaakstoffen
De meeste stoffen die de e-sigaret bevat, zijn smaakstoffen. De smaakstoffen zijn opgelost in de dragervloeistoffen en in het water. De meeste smaakstoffen in de e-sigaret geven een zoete smaak. Ethylacetaat is een van die smaakstoffen. Ethylacetaat is vooral bekend als een ingrediënt van nagellakremover. Hoewel het hierdoor klinkt alsof het ethylacetaat slecht voor je is, is ethylacetaat geen giftige stof. Ook worden soms smaakstoffen zoals cafeïne toegevoegd omdat ze luchtwegen verbreden. Hierdoor komt die nicotine dieper in de longen en neemt het bloed meer nicotine op.
Dragervloeistoffen
De meest voorkomende stoffen in de e-sigaret zijn dragervloeistoffen. In de dragervloeistoffen zijn de smaakstoffen en de nicotine opgelost. Ze worden dragervloeistoffen genoemd omdat het hun enige taak is om de smaakstoffen en nicotine als het ware te “dragen”. Dit is niet helemaal waar. Deze stoffen maken namelijk de waterdamp beter zichtbaar bij het uitademen. Glycerol en propyleenglycol zijn de meest gebruikte dragervloeistoffen. Bij onze e-sigaret was dit ook het geval.
Glycerol, ook wel propaan-1,2,3-triol genoemd, is een drievoudig alcohol. De structuurformule van glycerol is C3H8O3. Propyleenglycol, ook wel propaan-1,2-diol genoemd heeft als structuurformule C3H8O2. Beide stoffen zijn te vinden in verschillende voedingsmiddelen en antivriesmiddel. Ook zijn beide stoffen te vinden in de rookvloeistof van rookmachines, omdat ze de eigenschap hebben op waterdamp beter zichtbaar te maken.
Structuurformule van propyleenglycol Structuurformule van glycerol
3 Gifstoffen
In de sigarettenrook bevinden zich ongeveer 40 kankerverwekkende stoffen. In dit hoofdstuk worden een aantal van de stoffen benoemd en uitgelegd hoe deze stoffen schadelijk voor het menselijk lichaam zijn.
3.1 Koolstofmonoxide
Koolstofmonoxide (CO) is een polair molecuul.
De structuurformule van koolstofmonoxide
Het is een kleurloos gas en ontstaat bij de onvolledige verbranding van koolstof. Een onvolledige verbranding vindt plaats wanneer er te weinig zuurstof aanwezig is om de volledige verbrandingsreactie uit te voeren. Bij de volledige verbranding van koolstof ontstaat koolstofdioxide en bij de onvolledige verbanding van koolstof ontstaat koolstofmonoxide.
De synthese van CO
In de normale sigaret vind deze onvolledige verbranding plaats en dus bevat de rook van de normale sigaret koolstofmonoxide. De verbranding in de normale sigaret is onvolledig, omdat de lucht te weinig O2 bevat voor een volledige verbranding van koolstof. Lucht heeft namelijk een O2 gehalte van 21%. In de e-sigaret vindt geen verbranding van de ingrediënten plaats, maar een verdamping. Hierdoor bevat de e-sigaret geen koolstofmonoxide.
Koolstofmonoxide is een zeer giftig gas. Wanneer koolstofmonoxide in ons bloed terecht komt bindt het zich aan hemoglobine. Hemoglobine is een eiwit dat met zuurstof kan binden en zo zorgt voor de zuurstoftransport naar de weefsels in het menselijke lichaam. De zuurstof kan zich aan het Fe3+ atoom in de hemoglobine binden. De koolstofmonoxide kan ook binden met een ijzeratoom van de hemoglobine, wanneer dit gebeurt, wordt er carboxyhemoglobine gevormd. Doordat hemoglobine een sterkere binding met koolstofmonoxide aan kan gaan dan met zuurstof, kan er bij aanwezigheid van CO minder zuurstof aan de hemoglobine gebonden zijn. Hierdoor kan carboxyhemoglobine minder zuurstof transporteren dan hemoglobine en is er minder zuurstof beschikbaar voor de weefsels. Zo kan er een zuurstoftekort in de weefsels ontstaan.
3.2 Nicotine
Nicotine is een chirale en basische alkaloïde. Alkaloïden zijn moleculen met een of meer stikstofatomen. Vaak zijn deze atomen onderdeel van een koolwaterstofring. Dit is ook het geval bij nicotine. De structuurformule van nicotine is C10H14N2.
Structuurformule van nicotine
Nicotine komt in een hoge concentratie voor in tabak. Ook andere planten van de nachtschadefamilie, zoals tomaten en aardappelen bevatten Nicotine. De nicotine wordt in de wortels geproduceerd en wordt later naar de bladeren getransporteerd en opgeslagen. In de bladeren beschermt de nicotine de plant van vraat door insecten en planteneters.
Nicotine is namelijk een neurotoxine. Neurotoxinen zijn stoffen die de stofwisseling van neurotransmitters tussen zenuwcellen verstoren door te binden aan een receptor. Daardoor kan er geen impulsoverdacht tussen de zenuwcellen plaatsvinden en dat kan ernstige gevolgen hebben. De insecten die de tabaksplant eten raken zo door de neurotoxische werking verlamd door de nicotine. Nicotine bindt aan een acetylcholinreceptor en verstoort zo de impulsoverdracht in de synapse. Alleen organismen met acetylcholinreceptoren kunnen dus worden verlamd door de nicotine.
Nicotine heeft een zeer verslavende werking en is de oorzaak van de verslaving van sigaretten. Wanneer deze acetylcholinreceptoren worden blootgesteld aan nicotine gaan ze om meer nicotine vragen. Als ze een lange tijd worden blootgesteld aan nicotine zullen ze zich vermeerderen en zal dus de vraag naar nicotine toenemen. Het aantal van deze receptoren is erfelijk bepaald. Zo zijn dus sommige mensen gevoeliger voor een nicotine verslaving dan anderen.
Wanneer een persoon stopt met roken, zal de vraag naar nicotine door de receptoren aanhouden. Pas als de receptoren voldoende lang niet in aanraking zijn gekomen met nicotine zal de vraag naar nicotine afnemen. Maar als de persoon weer een sigaret opsteekt en de receptoren weer aan nicotine worden blootgesteld, zal de vraag naar nicotine weer toenemen. “Soms een beetje roken” is daarom onmogelijk.
Bij het roken van een sigaret activeert de nicotine vrijwel direct de acetylcholinreceptoren. Deze receptoren activeren de afgifte van verschillende neurotransmitters. In de afbeelding hieronder zijn deze neurotransmitters en hun gevolgen weergegeven.
Neurotransmitter en hun effecten
3.3 Teer
Teer is een product dat ontstaat bij de verbranding van tabak. Teer is giftig en bevat verschillende kankerverwekkende stoffen. Teer bevat onder andere Polycyclische aromatische koolwaterstoffen, ook wel PAK genoemd. PAK is een verzamelnaam van moleculen die bestaan uit koolwaterstofringen, zoals benzeen.
Benzo(a)pyreen(BaP) is zo een PAK en bestaat uit pyreen dat gebonden is met een benzeenring.
De structuurformule van benzo(a)pyreen
Bij het roken van een sigaret komen longcellen in aanraking met de BaP. De BaP kan in de longcellen mutaties veroorzaken in het DNA.
Zo kan BaP een verandering aanbrengen in de DNA streng van het gen P-53 door de nucleobase G (Guanine) te veranderen naar een T (Thymidine). In de normale toestand codeert het P-53 gen dat tumorsurpressoreiwit P53. Als het DNA kleine schade heeft opgelopen en de cellen zich willen gaan delen, wordt het P-53 gen actief en wordt er het P53 eiwit gemaakt. Het P53 eiwit kan dit vroege stadium van een tumor verhinderen door de aanmaak van het P21 eiwit te stimuleren. Dit eiwit kan binden met CdK, een stof die nodig is voor een celdeling. Door het binden met P21 eiwit wordt de CdK inactief en kan er geen celdeling plaatsvinden.
Door de mutatie van de nucleobase codeert het P-53 gen niet meer voor het P53 eiwit. Hierdoor worden er geen P21 eiwitten aangemaakt en wordt de celdeling niet gestopt.
3.4 Ammoniak
Ammoniak (NH3) is een anorganische verbinding van stikstof en waterstof.
De structuurformule van ammoniak
Het wordt zeer veel gebruikt in schoonmaakmiddelen, al is het daar verdund en gemengd met water tot ammonia. Het heeft een kookpunt van -33oC en is dus vrijwel altijd in gasvorm aanwezig. Bevindt de ammoniak zich in een zure omgeving (pH lager dan 7), dan zal alle ammoniak reageren tot ammonium, bevindt het zich in een basische omgeving (pH hoger dan 7), dan zal er vrijwel alleen maar ammoniak aanwezig zijn. Naast de eigenschap om goed schoon te kunnen maken, doordat vetten zeer goed oplossen in een ammoniakoplossing, heeft het ook een heel belangrijke functie voor sigaretten fabrikanten. Ammoniak zorgt er namelijk voor dat de nicotine beter wordt opgenomen door het lichaam, waardoor mensen verslaafd raken aan roken en meer sigaretten kopen. Het is echter moeilijk om ammoniak in vaste vorm in een sigaret te stoppen, deze zou dan namelijk kouder dan -33oC moeten zijn. Maar daar hebben de fabrikanten iets op gevonden, ze stoppen bijvoorbeeld ammoniumhydroxide NH4OH in de sigaret. Dit ammoniumhydroxide wordt dan tijdens het roken samen met de nicotine en de andere stoffen door de rook de mond in gezogen. Tijdens dit proces valt dit molecuul dan uit elkaar tot ammoniak NH3 en H2O:
NH4OH NH3 + H2O
Nu bevindt ammoniak zich in de mond samen met nicotine. In de mond heerst nu een basisch milieu doordat nicotine en ammoniak allebei basisch zijn. Ammoniak heeft een hogere pH dan nicotine en zal daardoor een reactie aangaan met de H2O in de mond. Als deze ammoniak niet aanwezig zou zijn geweest in de mond zou de nicotine met de hoge pH deze reactie zijn ondergaan en in de mond zijn achtergebleven, nu is dat echter niet het geval en blijft het molecuul apolair. De lucht met de nicotine en de opgeloste ammoniak komt nu in de longen terecht waar de nicotine wordt opgenomen en verder vervoerd wordt richting de hersenen. Daar wordt de nicotine afgegeven waar het zorgt voor zijn verslavende werking. De nicotine diffundeert uit de haarvaten de weefsels in en wil nu een cel binnendringen. Dat gaat, gelukkig voor de nicotine, zeer gemakkelijk, dit komt doordat het molecuul apolair is gebleven in het bloed en het celmembraan ook apolair is. Was er echter geen ammoniak aanwezig geweest, en was de nicotine dus in de mond met de H2O moleculen gereageerd, dan was het molecuul polair geworden en niet in de longen terecht gekomen. Ammoniak is dus uiterst belangrijk voor de sigaretten fabrikanten, het zorgt namelijk dat mensen sneller de nicotine binnenkrijgen en dus sneller verslaafd kunnen raken. Daarnaast kan ammoniak zelf ook nog eens je lichaam aantasten. Normaal gesproken is je lever in staat om alle ammoniak, en dan vooral de schadelijke stikstof, af te breken. Als er te veel ammoniak in het lichaam zit en het zich gaat ophopen kan dat uiteindelijk leiden tot een hersenvergiftiging of raakt de persoon in kwestie zelfs in coma. Verder kan het, net als teer, de trilhaarcellen in je luchtwegen kapot maken.
4 Longziektes
Roken kan leiden tot verkrijgen van verschillende longziektes. In dit hoofdstuk zullen we de meest voorkomende longziektes, zoals COPD en longkanker kort behandelen.
4.1 COPD
COPD is een verzamelnaam van de chronische longziekten: chronische bronchitis en longemfyseem. COPD betekend ‘ chronic obstructive pulmonary disease’.
Roken is de grootste risicofactor voor COPD.
Chronische bronchitis:
Chronische bronchitis is een ontsteking van bronchiën. De bronchiën zijn luchtwegen die de longen met de luchtpijp verbinden. Deze ontstekingen kunnen worden veroorzaakt door sigarettenrook. Sigarettenrook kan namelijk, zoals eerder vermeld, leiden tot de aanmaak van ontstekingseiwitten zoals TNFα. TNF α maakt ontstekingen en kan daarom een van de oorzaken zijn van chronische bronchitis.
Nummers 2 en 3 zijn de hoofdbronchiën
Longemfyseem:
Bij een longemfyseem zijn de bronchiën en de aangrenzende longblaasjes, alveoli, uitgerekt. Deze beschadiging kan niet worden hersteld.
In de longblaasjes vind de uitwisseling plaats tussen koolstofdioxide en zuurstof. Koolstofdioxide gaat uit het bloed naar de longen en zuurstof gaat vanuit de longen naar het bloed.
De schadelijke stoffen in de tabaksrook kan het longweefsel aantasten. De elastische weefsels van de longen worden door de ontsteking afgebouwd. In plaats hiervan ontstaan ontstekingsweefsels. Deze weefsel zijn minder elastisch. Hierdoor komt er bij het inademen veel druk op de kleine bronchiën te staan. Tijdens het uitademen storten de kleine bronchiën in een. Dit zorgt ervoor dat niet alle lucht uit de longblaasje kan worden uitgeademd. Ook door het uitreken van sommige wanden van de longblaasjes kan lucht en zuurstof gevangen raken in een longblaasje. Hierdoor is er minder zuurstof beschikbaar om in te ademen. Dit veroorzaakt ademhalingsproblemen.
De longblaasjes bij de normale toestand van de longen en bij een longemfyseem
Ook leidt roken tot een hogere concentratie van vrije radicalen, zoals superoxide en waterstofperoxide in de luchtwegen.
Deze stoffen irriteren de bronchiën dermate, dat het zelfreinigende effect van de longen minder wordt en stoffen zoals teer niet kunnen worden afgevoerd. De teer kan zich in de hele long verspreiden en vermindert zo de gasuitwisseling tussen zuurstof en koolstofdioxide.
4.2 Longkanker
Longkanker is een ziekte waarbij de cellen in de longen ongeremd groeien. Daardoor kunnen kwaadaardige tumoren in het longweefsel ontstaan..
Longkanker is een van de meest voorkomende kwaadaardige ziektes. Longkanker wordt in 80% tot 90% veroorzaakt door roken. Als de ongeremde celgroei in de longen niet gestopt wordt kunnen zich de kankercellen via de bloedbaan in het hele lichaam verspreiden en ontstaan er metastasen in andere organen en weefsels. Longkanker kan worden veroorzaakt door sommige stoffen, die de sigarettenrook bevat. De stoffen kunnen mutaties veroorzaken in het DNA. Dit kan tot gevolg hebben dat bepaalde eiwitten, die belangrijk zijn voor het voorkomen van celdeling, niet meer worden geproduceerd( zie 3.3 voor een uitgebreide uitleg).
5 Beschrijving van ons onderzoek
Rookextracten
Voor ons experiment konden wij terecht bij de afdeling farmacologie van de Universiteit van Utrecht. Daar hebben ze een apparaat waarmee zij de rook van sigaretten, zowel de rook die bij het inhaleren in de longen terecht komt, als de rook die bij de verbranding gelijk de lucht in gaat, kunnen opvangen. De opgevangen rook wordt daarna door een medium gepompt door middel van een vacuüm pomp waardoor dit buisje met medium nu een sigarettenextract is geworden. Dit medium is een oplossing die lijkt op ons bloed. Dezelfde proef voeren we hierna uit met een E-sigaret. Bij de normale sigaret, die zichzelf oprookt doordat de vacuüm pomp de lucht oppompt, komt de rook vanzelf vrij. Maar een E-sigaret werkt heel anders, doordat de E-sigaret maar 1 puff per 5 seconden geeft moesten we telkens even het luchtpompbuisje dichtknijpen, zodat er een nieuwe teug lucht van de E-sigaret naar buiten kwam. Die wordt dan vervolgens, net als de normale sigaret, door het buisje met medium gepompt waardoor we uiteindelijk twee buisjes hebben; één buisje met sigarettenrookextract, en één buisje met E-sigarettenrookextract.
In de hierboven beschreven proef werd in het middelste witte apparaat de normale sigaret in één van de gaatjes vastgezet, nadat de sigaret was is aangezet ging het deurtje dicht. Doordat de ruimte, waar de sigaret zich in bevindt, is afgesloten en er een verbinding is met de vacuüm pomp, links op figuur 1, wordt alle rook die uit de sigaret komt opgevangen. Naast de rook die vrijkomt aan de kant waar de sigaret is aangestoken, komt er ook rook vrij aan de andere kant van de sigaret, dit is de rook die bij het roken gelijk in de longen terecht komt en die moet natuurlijk ook meegenomen worden in het onderzoek. Nadat beide soorten rook van de sigaret zijn opgevangen worden ze getransporteerd richting het buisje met het medium. In het buisje wordt de rook door het medium gepompt waardoor er in het buisje een sigarettenrookextract bevindt. Bij de E-sigaret gaat de proef net iets anders. Omdat er bij de E-sigaret de verbranding in de sigaret zelf gebeurt, komt er alleen rook vrij aan de kant van de sigaret die je in je mond stopt. Daarnaast geeft een E-sigaret niet continu rook af, maar moet er telkens opnieuw een zuigkracht op de sigaret worden uitgeoefend, zodat er weer rook wordt afgegeven. Daarom zie je op figuur 3 dat de E-sigaret is vastgemaakt aan een buisje dat zich direct boven het buisje waarin zich het medium bevindt. Het handige aan de E-sigaret die wij hebben gebruikt is dat er tijdens het afgeven van rook een rood lampje voor op de E-sigaret ging branden. Telkens als het lampje uit ging knepen wij heel even het buisje dicht en als dat dan weer open ging kreeg de E-sigaret een nieuwe impuls om rook af te geven, die dan weer door het medium werd gepompt. Interessant was dat er soms kleine druppeltjes vrij kwamen bij het afgeven van de rook. Om deze druppeltjes, en daarmee natuurlijk alle gifstoffen uit de E-sigaret, op te vangen hebben we de E-sigaret op de kop gezet zodat de druppeltjes in het buisje met medium stroomden.
Spectrofotometer
De twee extracten die we nu bezitten zijn natuurlijk niet gelijk wat betreft de concentratie van de gifstoffen in de beide extractbuisjes. Daarom hebben we een spectrofotometer gebruikt om te bepalen hoeveel we welke van de twee extracten we moesten verdunnen zodat de cellen, die we later in contact zouden brengen met de extracten, niet in aanraking zouden komen met een te hoge concentratie. Bij het meten met 300 nano-meter bleek dat de concentratie in het e-sigarettenrookextract 0,2 was, de concentratie van het normale sigarettenrookextract was 1,8, deze hadden we van tevoren al 10 keer verdund. Hieruit bleek dat we het normale sigarettenrookextract 11 keer zoveel moesten verdunnen om op dezelfde concentratie uit te komen:
(1,8X / 100) = 0,2
Hieruit volgt dat de X (verdunningsfactor) = 11
We moesten dus dit extract nog 11 keer meer verdunnen nadat we het al in 100µl hadden verdund.
Cellen blootstellen aan extracten
Nu we berekend hebben hoeveel meer we het ene extract moeten verdunnen ten opzichte van het andere kunnen we bepalen met welke concentraties we de cellen in contact willen brengen. Hiervoor hebben we 36 wells met endotheelcellen tot onze beschikking. We besloten 16 wells (een well is één hokje waar zich bij deze proef endotheelcellen in bevonden) te gebruiken voor de normale sigaret, 16 voor de e-sigaret en de laatste 4 als controle. De laatste 4 wells kregen elk 100 μl met medium, in deze wells zouden de endotheelcellen dus geen reactie moeten aangaan. We hebben daarna, net als bij de controle, telkens 4 wells gebruikt voor dezelfde concentratie van elk extract. Dat wil zeggen dat we in 4 wells een 0,2 concentratie van het e-sigarettenextract in 100 μl medium hebben gedaan, en in 4 wells een 0,2 concentratie van normale sigarettenrookextract in 100 μl medium hebben gedaan, de normale sigarettenrookextract moest natuurlijk wel verdund worden om op een 0,2 concentratie uit te komen. Vervolgens 8 wells met 0,1 concentratie, natuurlijk weer 4 van normale sigaretten- en 4 van e-sigarettenrookextract, hetzelfde geldt voor de 0,05 concentratie en de 0,01 concentratie. Uiteindelijk zat in elke well 100 μl medium en een bepaalde concentratie van het opgeloste extract.
Celdood
Het multititerplaatje hebben we hierna 9 uur lang in een 37 graden kast gezet, hierdoor kunnen de gifstoffen uit de extracten precies zo op de endotheelcellen inwerken, als dat ze bij een mens zouden hebben gedaan. Na de 9 uur zijn de cellen in een vrieskist gezet waardoor er geen reacties meer optraden en de reacties die waren gebeurd juist zo bleven, dat wil zeggen dat de cellen die aangetast waren door de gifstoffen uit de sigaretten precies zo bleven als dat ze waren na 9 uur in de 37 graden kast. Vervolgens hebben we de celdood gemeten; het aantal endotheelcellen dat in de wells waren doodgegaan hebben we gemeten, en die hebben we afgezet tegen de endotheelcellen in de controle wells met het medium, in deze wells zouden namelijk alle cellen niet aangetast worden en dus niet doodgaan. De resultaten van deze proef zijn te zien bij het hoofdstuk Resultaten
TNFα
Na deze gegevens te hebben verkregen hebben we nog een tweede proef gedaan; we zijn gaan meten hoeveel TNFα er in de endotheelcellen was aangemaakt als reactie op de gifstoffen van de sigaretten. Dit hebben wij onderzocht door middel van een ELISA proef. TNFα, oftewel tumornecrosefactor α, is een cytokine. Dat houdt in dat het je lichaamscellen, en in dit geval dus de endotheelcellen, helpt bij ontstekingen. TNFα stimuleert een ontstekingsreactie in de cellen waardoor tumorcellen kunnen worden afgebroken. Aangezien er bij het roken van sigaretten en e-sigaretten schadelijke stoffen het lichaam in komen, is de kans natuurlijk groot dat er ontstekingsreacties ontstaan in de cellen en er dus TNFα in de cellen wordt aangemaakt. Door dit TNFα te meten willen we laten zien hoe het lichaam reageert op schadelijke stoffen.
6 Resultaten
Celdood
In de 36 wells die we voor deze proef hebben gebruikt waren er 4 als controle, daar zou dus geen celdood moeten zijn. Dit zijn de resultaten van de proef:
Hierboven is de linker staaf het medium; daar is geen celdood aangetroffen. Bij de resultaten die lager zijn dan 1, dus de 0,2 concentratie e-sigaret en de 0,2 0,1 en de 0,05 concentratie normale sigaret, is er wel celdood. Bij de resultaten hoger dan 1 kunnen we stellen dat er geen of bijna geen celdood is aangetroffen, althans minder dan bij de medium oplossing.
ELISA
In de 36 wells die we voor deze proef hebben gebruikt waren er 4 als controle, daar zou dus geen TNFα worden gemeten. Dit zijn de resultaten van de ELISA proef:
In dit staafdiagram is te zien dat er alleen bij de 0,05 concentratie van het normale sigarettenrookextract TNFα is gevonden, bij alle andere concentraties, ook de controle, is geen TNFα gevonden
7 Conclusie
Uit ons onderzoek is gebleken dat een normale sigaret schadelijker is voor de gezondheid dan een e-sigaret. Zoals in het eerste gedeelte van de proef te zien was gingen er veel meer endotheelcellen dood nadat ze in aanraking waren gekomen met de normale sigaret, dan bij de e-sigaret. Daarnaast is uit onze tweede proef gebleken dat er alleen TNFα aanwezig was bij een bepaalde concentratie van het normale sigarettenextract. Dit TNFα ontstaat alleen als er een ontstekingsreactie ontstaat in de cellen, in dit geval de endotheelcellen. Bij beide proeven die we hebben uitgevoerd is gebleken dat een normale sigaret schadelijker is voor de gezondheid dan een e-sigaret.
Wat is het verschil tussen sigarettenrook en e-sigarettendamp?
Zoals in 2.2 vermeld is nicotine de enige gifstof die in damp van de e-sigaret voorkomt, althans dat wordt beweerd door de producent. Wij denken namelijk dat de e-sigaret ook ammoniak bevat (zie 3.4 voor een verdere uitleg).
Sigarettenrook bevat naast de nicotine ook vele andere gifstoffen (zie 1.1). Sommige van deze gifstoffen, zoals CO, zijn verbrandingsproducten van de onvolledige verbranding van koolstof.
Ook bevat sigarettenrook gramnegatieve bacteriën. Deze gramnegatieve bacteriën kunnen ontstekingseiwitten, zoals TNFα , veroorzaken (zie 9.5 voor een uitgebreide uitleg). De ontstekingen die de TNFα, kan veroorzaken kan leiden tot longziektes, zoals COPD (zie 4.1)
8 Discussie
Resultaten
Uit onze resultaten van de eerste proef bleek dat er veel celdood was bij 3 concentraties van de normale sigaret en 1 concentratie van de e-sigaret. Dat leidden wij af van de resultaten van het medium, dat was namelijk een vloeistof die ons bloed voorstelde en dus de cellen niet zou aantasten. We hebben toen gezegd dat als er bij het medium een bepaald aantal cellen dood zijn gegaan, in dit geval 1, dan zou er bij toxische concentraties in de resultaten een kleinere staaf moeten zijn die maximaal op 75% van de medium staaf mocht zijn. Dat was dus, zoals al eerder gezegd, bij 3 normale sigaret concentraties en bij 1 e-sigaret concentratie. Verassend was echter dat bij de andere 4 concentraties er hogere staven waren dan de medium staaf, dat laat zien dat daar minder celdood was dan bij de medium vloeistof. Dit is natuurlijk gek want dat zou betekenen dat het medium toxischer is dan bepaalde concentraties van een e-sigaret en een normale sigaret.
Bij de tweede proef, de ELISA, hebben we gemeten wat de hoeveelheid TNFα was die was ontstaan in de cellen als reactie op de sigaretten extracten. Helaas vallen de resultaten van deze proef erg tegen, er is namelijk maar bij 1 concentratie van een normale sigaret TNFα ontstaan, en dan nog niet eens bij de hoogste concentratie. We hadden natuurlijk wel verwacht dat er geen TNFα zou ontstaan in de medium vloeistof, maar verder hadden we wel verwacht dat er wel wat meer wells zouden zijn die TNFα hadden. Het was namelijk zo dat er bij de 0,05 concentratie van het normale sigarettenrookextract 3 van de 4 wells TNFα hadden. Dat is heel opvallend, want bij geen enkele andere concentratie was TNFα ontstaan, en bij 1 concentratie hadden gelijk 3 van de 4 wells TNFα. Het kan wel zo zijn dat er bij de 0,2 concentraties van de beide sigaretten en de 0,1 van de normale sigaret zo veel cellen waren afgestorven, of zo snel dat deze niet de kans hadden om TNFα te produceren. Dat zou betekenen dat deze concentraties dus heel schadelijk kunnen zijn. Verder zouden we uit de eerste proef nog kunnen afleiden dat, omdat het medium meer celdood had dan bepaalde concentraties normale en e-sigaret, in deze concentraties geen TNFα hoefde te ontstaan, omdat de cellen niet met hele toxische concentraties in aanraking zijn gekomen.
Proef
We zijn heel blij en zeer dankbaar dat we onze proef bij de Universiteit van Utrecht hebben kunnen uitvoeren. En natuurlijk ook voor alle hulp die zij ons geboden hebben tijdens het uitvoeren van de proef. Helaas zijn een paar van onze resultaten net iets anders dan we hadden verwacht, zoals hiervoor al beschreven. Dit kan natuurlijk meerdere redenen hebben, zo hebben we misschien met de pipet een keer een fout gemaakt door er te veel vloeistof van iets mee op te zuigen en over te brengen. Of hebben we ergens een rekenfout gemaakt alvorens we de concentraties bepaalden, we hebben aangenomen dat een roker bij een normale sigaret ongeveer 5 trekjes per minuut neemt en dat een hele sigaret 5 minuten duurt om op te roken. Als dit andere getallen zouden moeten zijn hadden we dus heel andere hoeveelheden van de e-sigaret moeten gebruiken. Zo zijn er allerlei factoren die de proef wellicht andere resultaten hadden gegeven als ze anders waren geweest. We zijn wel heel blij met ons onderzoek en daarmee ook de resultaten die dit onderzoek hebben opgeleverd. Een volgend onderzoek zou zich nog meer kunnen specificeren op de rook van de sigaretten, want de ammoniak die in de mond van een roker een reactie aangaat heeft bij onze proef helemaal geen reactie ondergaan omdat we een extract hebben gemaakt. Dit extract bevatte misschien wel alle, of bijna alle, stoffen die uit de sigaretten afkomstig waren, maar toch kan je bij onze proef niet zeggen dat het een precieze afspiegeling is van de werkelijkheid. Ook omdat cellen niet 9 uur lang in contact blijven met dezelfde stoffen, want in het lichaam stroomt alles door van cel naar cel en van cel naar het bloed en van het bloed weer de rest van het lichaam in, en bij onze proef bleven de cellen echt continu in contact met de stoffen uit de sigaretten. Dit is ook een van de redenen waarom het zo moeilijk is om een goede conclusie te trekken voor deze onderzoeksvraag, omdat je in een proef nooit precies kan nabootsen hoe de reacties in het lichaam zich precies ontwikkelen.
9 Bijlage
9.1 Het ontstaan van TNFα
Tabaksbladeren en ook de tabak zelf bevatten gramnegatieve bacteriën. Gramnegatieve bacteriën bevatten naast het cytoplasmatische membraan nog een ander membraan. Het cytoplasmatische membraan is het binnenste membraan. Het andere membraan is het buitenste membraan en wordt buitenmembraan genoemd. Het buitenmembraan bevat lipopolysachariden. Lipopolysachariden, vaak afgekort tot LPS, zijn grote moleculen. Het molecuul bestaat uit een lipide en een polysacharide. Een lipide is een vetachtige stof en is onoplosbaar in water. Een Polysacharide is een koolhydraat, die bestaat uit tien of meer monosachariden.
De structuurformule van LPS
LPS is de belangrijkste stof van de buitenmembraan. De belangrijkste taak van LPS is het zorgen voor vormbehoud van de bacterie. Het is zelfs zo belangrijk voor de cel dat wanneer de LPS verdwijnt of er een mutatie van de LPS plaats vindt, de cel dood gaat.
De celmembranen van de cellen van de mens bevatten verschillende membraanreceptoren. De Toll-like receptor is zo een receptor. Het is een eiwit dat micro organismen kan herkennen. Er bestaan verschillende Toll-like receptoren. Allemaal kunnen ze verschillende micro organismen herkennen. Zo kan de Toll-like receptor 4 de lipopolysachariden van de gramnegatieve bacteriën herkennen. Bij herkenning van de LPS en de TLR4 brengt de TLR4 een immuunreactie te weeg waardoor er uiteindelijk de cytokine, TNFα, wordt geproduceerd.
CD14 is ook een membraanreceptor. CD14 is de co-receptor voor het herkennen van de LPS. Dit betekent dat de TLR4 alleen een immuunreactie te weeg kan brengen, als de CD14 ook de LPS van de gramnegatieve bacterie heeft herkent. Deze herkenning vindt plaats wanneer de LPS zich heeft gebonden aan de CD14 receptor. De binding tussen de LPS en de CD14 receptor kan alleen tot stand komen bij de aanwezigheid van een lipopolysacharide-bindend-proteïne(LBP). Het LBP is een eiwit dat zich bindt aan de LPS en daarmee kan leidt tot de mogelijkheid dat de LPS met CD14 kan binden.
De immuunreactie die de TLR4 veroorzaakt leidt uit eindelijk tot de afgifte van het eiwitcomplex: NFkB. NFkB is een eiwitcomplex en regelt de transcriptie van TNFα. Door de afgifte van NFkB kan er dus TNFα worden geproduceerd.
De immuunreactie die leidt tot de afgifte van het eiwit NFkB.