Vergleich der Toxizität
elektrischer Zigaretten mit der Toxizität herkömmlicher Zigaretten
Abschlussarbeit im
Postgradualstudium Toxikologie der Universität Leipzig
Dipl.-Biol. Nina Grico Ludwigshafen, Januar 2013
Inhaltsverzeichnis
1 ZIELSETZUNG ... 1
2 EINLEITUNG ... 2
2.1 HISTORISCHES ZUM TABAK UND SEINER VERWENDUNG ... 2
2.2 RAUCHEN UND FOLGESCHÄDEN ... 3
2.3 ENTSTEHUNG UND EIGENSCHAFTEN DES ZIGARETTENRAUCHS ... 6
2.4 PASSIVRAUCHEN ... 10
2.5 ZIGARETTEN UND IHRE INHALTSSTOFFE ... 14
2.6 NIKOTIN UND SEINE WIRKUNG ... 15
2.7 ENTSTEHUNG DER NIKOTINABHÄNGIGKEIT UND DER NIKOTINENTZUG ... 17
2.8 WEITERE INHALTSSTOFFE VON ZIGARETTEN UND DEREN WIRKUNG ... 18
3 DIE ELEKTRISCHE ZIGARETTE ... 19
3.1 INHALTSSTOFFE ELEKTRISCHER ZIGARETTEN ... 21
3.2 PASSIVRAUCH BZW.PASSIVDAMPF BEI ELEKTRISCHEN ZIGARETTEN ... 25
3.3 DIE ELEKTRISCHE ZIGARETTE ALS MÖGLICHKEIT ZUR RAUCHENTWÖHNUNG ... 28
3.4 GESUNDHEITLICHE ASPEKTE DER ELEKTRISCHEN ZIGARETTE ... 30
4 DIE ELEKTRISCHE ZIGARETTE IN DER ÖFFENTLICHEN DISKUSSION IN DEUTSCHLAND ... 30
5 TOXIKOLOGISCHER VERGLEICH VON ELEKTRISCHEN ZIGARETTEN MIT KONVENTIONELLEN ZIGARETTEN ... 32
6 ABSCHLIEßENDE BEWERTUNG DER TOXIZITÄT ELEKTRISCHER ZIGARETTEN ... 35
7 ZUSAMMENFASSUNG ... 37
8 ABKÜRZUNGEN ... 39
9 LITERATUR ... 40
1
1 Zielsetzung
In den letzten Jahren stieg mit der wachsenden Bekanntheit elektrischer Zigaretten in der Bevölkerung auch deren Konsum. Elektrische Zigaretten ähneln optisch herkömmlichen Zigaretten, ihre Verwendung unterscheidet sich hingegen grundsätzlich. Während bei herkömmlichen Tabakprodukten wie Zigarren und Zigaretten verarbeitete Tabakblätter verbrannt werden, findet bei der elektrischen Zigarette keine Verbrennung statt. Stattdessen wird Nikotin in einem Lösungsmittel, Propylenglykol und/oder Glycerin, gelöst, mithilfe eines Heizelementes erhitzt und schließlich vernebelt, so dass der Verwender ein Aerosol einatmet. Bei der Verbrennung einer herkömmlichen Zigarette entstehen eine hohe Zahl unterschiedlicher Substanzen, darunter viele bekannte toxische Substanzen und Kanzerogene. Das Rauchen einer herkömmlichen Zigarette schadet nicht nur der Gesundheit der Raucher, sondern auch in beträchtlichem Maß der Gesundheit umstehender Personen über das so genannte Passivrauchen. Neben verschiedenen Krebsarten wie Lungen- und Kehlkopfkrebs erkranken Raucher und Passivraucher auch vermehrt an Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
In der vorliegenden Arbeit wird die Toxizität einer herkömmlichen Zigarette mit einer elektrischen Zigarette verglichen. Ausgewertet wurden dabei bislang durchgeführte Studien über die Inhaltsstoffe elektrischer Zigaretten und deren Wirkung auf den menschlichen Organismus. Die verwendeten Lösungsmittel für Nikotin in elektrischen Zigaretten, Propylenglykol und Glycerin, sind zwar für die Verwendung in Lebensmitteln zugelassen, allerdings werden diese Stoffe durch elektrische Zigaretten vernebelt und vom Konsumenten inhalativ aufgenommen, weshalb man die gesundheitlichen Auswirkungen über diesen Aufnahmeweg berücksichtigen sollte. In diesem Zusammenhang wird auch auf die potentielle Gefährdung durch Passivrauch einer elektrischen Zigarette eingegangen. Es liegen darüber hinaus einige Studien vor, welche sich mit der Verwendung elektrischer Zigaretten als Hilfsmittel beim Nikotinentzug beschäftigen, weshalb auch dieses Thema diskutiert wird.
2
2 Einleitung
2.1 Historisches zum Tabak und seiner Verwendung
Ursprünglich kommt die Tabakpflanze (Nicotiana spec.), ein Vertreter der Familie der Nachtschattengewächse (Solanaceae), aus Amerika. Zu dieser Pflanzenfamilie gehören etwa 90 bis 100 Gattungen mit ca. 2700 dazugehörigen Arten, die in ihrer Verbreitung über die ganze Welt verteilt sind. Darunter befinden sich aber auch endemische Arten, wobei die höchste Vielfalt der Nachtschattengewächse in Südamerika vorzufinden ist. Die bedeutendste Gattung innerhalb dieser Familie sind die Nachtschatten (Solanum) mit ungefähr 1000 bis 2300 Arten. Nachtschattengewächse sind einjährige, zweijährige, mehrjährige oder in einigen Fällen auch ausdauernde Pflanzen, welche sowohl krautig als auch verholzend wachsen können. Als Wuchshöhen werden meist 0,5 bis vier Meter erreicht. Vertreter dieser Pflanzenfamilie finden Verwendung als bedeutende Nahrungspflanzen, wie z.B. Tomate, Paprika und Kartoffel, andere werden ausschließlich als Zierpflanzen, z.B. Petunie und Engelstrompete, verwendet. Charakteristisch für die Nachtschattengewächse ist die Synthese und Speicherung von sekundären Pflanzenstoffen wie Alkaloide und Steroide in einigen Pflanzenteilen.
Dadurch fanden und finden sie eine weit verbreitete Verwendung als wichtige Medizin-, Rausch- und Kultpflanzen. Als wohl bekanntestes Alkaloid der Nachtschattengewächse ist das Pyridinalkaloid Nikotin aus der Tabakpflanze (Nicotiana sp.) zu nennen. Es wird vorwiegend in der Tabakpflanze, aber auch in anderen Vertretern der Nachtschattengewächse in den Wurzeln produziert. Von dort aus wird es in die Blätter der Pflanze verteilt und dient dort vor allem dem Schutz gegen Fraßfeinde. Je nach Pflanzenart kann der Anteil an Nikotin in der Trockenmasse bis zu 10% betragen. In verkäuflichen Tabakwaren beträgt der Anteil meist 0,3 bis 3%. Weitere bekannte Alkaloide sind Hyoscyamin und Atropin aus der Engelstrompete und der Tollkirsche, Scopolamin aus dem Stechapfel und Bilsenkraut und Capsaicin aus Paprika-Gewächsen.
Abbildung 1: Tabakpflanze (von http://de.wikipedia.org/wiki/Tabak).
3 Der Tabakanbau und -konsum in Amerika ist durch archäologische Funde bis ins 1. Jahrhundert v. Chr. belegt, als die Mayas Tabakblätter zu kultischen Zwecken anbauten und rauchten (Slade, 1997;
Proctor, 2001). Nach der Entdeckung Amerikas durch Christoph Columbus kam die Tabakpflanze nach Europa. Später breiteten sich der Anbau und die Verwendung der Tabakpflanze auch nach Afrika, in den Nahen Osten und nach Australien aus.
Die zunächst medizinische Verwendung der Tabakpflanze in Europa als Heilmittel geht auf den von Katharina von Medici ernannten französischen Gesandten in Portugal, Jean Nicot, zurück. Er verwendete die zerstoßenen Blätter zunächst geschnupft eingenommen zur Behandlung von Kopfschmerzen. Ihm zu Ehren wurde der Gattungsname der Tabakpflanze (Nicotiana) und das von der Pflanze produzierte Alkaloid Nikotin, der bedeutendste Inhaltsstoff dieser Pflanze, benannt. Die Verwendung von Teilen der Tabakpflanze als Heilmittel wurde später, wegen der eingeschränkten medizinischen Wirkung (z.B. der Behandlung von parasitären Hautkrankheiten), von anderen Verwendungsarten, wie z.B. dem Konsum als Genussmittel, abgelöst. Daneben fand Tabak auch durch seine schmerzstillende und gering euphorisierende Wirkung Verwendung in einigen medizinischen Anwendungen.
Endgültig zum Genussmittel wurde Tabak vor etwas mehr als 100 Jahren. Er wurde vorwiegend in Form des Schnupfens konsumiert und seltener geraucht. Die Art und Weise des Konsums von Tabak änderte sich allerdings im Laufe der Zeit. Das Schnupfen von Tabak wurde nach und nach vom Tabakrauchen abgelöst. Zunächst wurde Tabak noch mit der Pfeife geraucht, später setzte sich das Tabakrauchen in Form von Zigarren und Zigaretten durch. Der Konsum von Tabak verbreitete sich, ausgehend von höheren gesellschaftlichen Schichten, begünstigt durch die Massenproduktion von Zigaretten, in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts durch alle gesellschaftlichen Schichten.
Heutzutage schätzt man, dass Tabak, in allen erdenklichen Formen, von annähernd einer Milliarde Menschen täglich konsumiert wird (Mackay und Eriksen, 2002). Hauptform des Tabakkonsums stellt mit über 90% das Zigarettenrauchen dar. Weltweit rauchen zurzeit ca. 70% der männlichen und ca.
34% der weiblichen Bevölkerung, jedes Jahr beginnen ca. 30 Millionen Jugendliche mit dem Rauchen.
Betrachtet man den Tabakkonsum in Deutschland, so rauchen ca. 40% der Männer und 30% der Frauen. Durchschnittlich beträgt der tägliche Zigarettenkonsum in Deutschland ca. 20 Zigaretten.
Betrachtet man die letzten Jahrzehnte, so hat sich der Zigarettenkonsum in den USA und Europa langsam reduziert.
2.2 Rauchen und Folgeschäden
Mit der raschen Ausbreitung des Tabakgenusses auf immer größere Bevölkerungsschichten wurden zunehmend auch gesundheitsschädliche Folgen bei Rauchern beobachtet. Zu Beginn der fünfziger
4 Jahre des letzten Jahrhunderts wurden erstmals Studien veröffentlicht, welche sich mit dem Zusammenhang zwischen Zigarettenkonsum und Lungenkrebs befassten. Ein möglicher Zusammenhang zwischen dem Konsum von Tabakprodukten und der Tumorentstehung wurde bereits 1761 von dem britischen Arzt John Hill dokumentiert. Er beschrieb polypenartige Geschwulste der Nasenschleimhaut, deren Entstehung er auf den Gebrauch von Schnupftabak zurückführte (Hill, 1761). 1795 beobachtete Thomas von Sömmering das gehäufte Auftreten von Lippenkrebs der Unterlippe bei Pfeifenrauchern (Sömmering, 1795). Umfangreichere epidemiologische Studien über den Zusammenhang zwischen der Entstehung von Lungenkrebs und dem Rauchen wurden 1950 in den USA und England veröffentlicht (Doll und Hill, 1950; Wynder und Graham, 1950). Später zeigten tierexperimentelle Studien, bei denen Tabakteer auf die Haut von Kaninchen aufgetragen wurde und dort Hauttumore induzierte, einen Zusammenhang zwischen Tabakprodukten und der Krebsentstehung. Außerdem wurden immer weitere Inhaltsstoffe des Zigarettenrauchs als Kanzerogene identifiziert (Doll, 1998).
Die im Zigarettenrauch enthaltenen krebserregenden Substanzen sind dazu in der Lage, das Erbgut der Zelle, die DNA (Desoxyribonukleinsäure), zu schädigen. Diese DNA-Schäden können zu strukturellen Veränderungen der betroffenen Zelle führen. Auf diese Weise kann eine normale Körperzelle zur Krebszelle mutieren, wenn bestimmte Kontroll- bzw. Reparaturmechanismen versagen. Sind bestimmte Gene der Zelle, welche das Wachstum der Zelle kontrollieren, von den induzierten DNA-Schäden betroffen, so hat die Zelle die Möglichkeit, den programmierten Zelltod (Apoptose) einzuleiten. Auf diese Weise werden fehlerhafte Zellen aus dem Organismus eliminiert. Die Menge der im Tabakrauch enthaltenen Kanzerogene allerdings überfordert diese körpereigenen Reparaturmechanismen, bestimmte Bestandteile des Zigarettenrauchs verhindern sogar die Apoptose von geschädigten Zellen und es kommt zur Entstehung von Krebs.
Mittlerweile sterben weltweit jährlich mehr als fünf Millionen Menschen an den Folgen des Zigarettenrauchens. Außerdem ist anerkannt, dass der Konsum von Tabakprodukten bei der Entstehung von Tumoren in unterschiedlichen Organen eine Rolle spielt (IARC, 2004). In einem Bericht des Deutschen Krebsforschungszentrums wird Rauchen als der wichtigste vermeidbare Risikofaktor bei der Krebsentstehung beschrieben (DKFZ, 2008). Bis in die 1970er Jahre zeigte die Krebsmortalitätsrate in Deutschland, wie auch in anderen westlichen Industrieländern, einen steigenden Verlauf bei männlichen Rauchern und fiel danach mäßig ab. Die Lungenkrebssterblichkeit bei Frauen hingegen zeigt eine leicht steigende Tendenz an. Dabei kann man zeitlich versetzt, um ca.
20 bis 30 Jahre, eine Korrelation zwischen den Rauchgewohnheiten der Bevölkerung und der Krebsmortalitätsrate beobachten. In Deutschland wird Rauchen bei den Männern für 87% der Lungenkrebstodesfälle verantwortlich gemacht, bei den Frauen sind es 56% (Krebsatlas der Bundesrepublik Deutschland 1981-1990). Neben dem Lungenkrebs werden noch weitere Krebsarten verschiedener Organe auf das Zigarettenrauchen zurückgeführt: Fast alle Kopf-Hals-Tumoren
5 (Mundhöhle, Mund- und Rachenraum, Nasenhöhle, Nasennebenhöhle und Kehlkopf), Speiseröhrenkrebs, Magen- und Darmkrebs, Leberkrebs, Bauchspeicheldrüsenkrebs, Blasenkrebs, Harnleiterkarzinom, Nierenzellkarzinom und myeloische Leukämien. Es wurde darüber hinaus bei Frauen eine erhöhte Rate an Zervixkarzinomen beobachtet (Sasco et al., 2004). Eine Zusammenfassung der Todesfälle bei Frauen und Männern im Jahre 2001 ist in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Geschätzter Anteil der durch Zigarettenrauchen verursachten Krebstodesfälle in Deutschland im Jahre 1995 (modifiziert aus Marquardt und Schäfer).
Organ Krebstodesfälle in Deutschland
Durch Rauchen verursachte Fälle
Durch Rauchen verursachte Todesfälle
in % Männer
Mundhöhle 3697 2400 65
Ösophagus 3123 900–1500 30-50
Pankreas 5132 1500-2600 30-50
Kehlkopf 1567 1300 80
Lunge 28887 22000–26000 75-90
Harnblase 4215 2100 50
Niere 3820 1100 30
Magen 7887 1600–2800 20-35
Gesamtzahl 58328 33000-40000 50-70
Frauen
Mundhöhle 987 600 65
Ösophagus 950 300–500 30–50
Pankreas 6017 900–1200 15–20
Kehlkopf 221 200 80
Lunge 8260 2500–4900 30–60
Harnblase 2229 600 25
Niere 2792 800 30
Magen 7502 1500–2600 20–35
Gesamtzahl 28958 7400-11000 25-40
Rauchen ist jedoch nicht nur ein Risikofaktor für die Entstehung von Krebs, darüber hinaus steigt auch die Gefahr von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD), koronare Herzkrankheiten, periphere Verschlusskrankheiten (Thrombosen) und Schlaganfall.
Außerdem liegt bei starken Rauchern ein erhöhtes Risiko vor (20- bis 30-fach über dem von Nichtrauchern), an chronischen Leiden der Atemwege wie chronischer Bronchitis und Emphysemen zu erkranken. Durch konsequenten Rauchverzicht sinkt das Risiko für z.B. Herz-Kreislauf- Erkrankungen schnell und kann weitgehend reversibel sein. Ca. 20% aller Todesfälle durch Herz- Kreislauf-Erkrankungen sind auf den Zigarettenkonsum zurückzuführen. Je früher im Leben eine Person mit dem Rauchen beginnt, desto größer ist das individuelle Risiko, später eine mit dem Rauchen assoziierte Erkrankung zu entwickeln. Aufgrund der hohen Latenzzeit sind die heute erfassten Zahlen der durch das Rauchen induzierten Krebserkrankungen auf das Rauchverhalten der betroffenen Personen vor mehreren Jahrzehnten zurückzuführen.
Das Rauchen von Zigaretten ist, wie bereits erwähnt, ein Hauptrisikofaktor für chronisch obstruktive Lungenerkrankungen. Diese Erkrankungen der Atemwege sind Folge der durch Rauchen verursachten
6 Veränderungen der zentralen und peripheren Atemwege, der Lungenbläschen (Alveolen) und der Kapillargefäße. Die im Zigarettenrauch enthaltenen Substanzen führen zu einer Lähmung der Flimmerepithelien der Atemwege und bei länger andauerndem Konsum sogar zu einer Degeneration des Flimmerepithels (Ziliartoxizität). Weil dadurch die Selbstreinigungsfunktion des Atemapparates verhindert wird, kommt es zu einer Stauung des Bronchialsekrets und als Folge davon zu Hustenanfällen wie dem morgendlichen Raucherhusten und einer Reduktion der Lungenfunktion.
Durch diese Hemmung der Selbstreinigungsfunktion wird aber auch die kanzerogene Wirkung des Zigarettenrauchs erhöht.
Darüber hinaus haben Raucherinnen ein höheres Risiko für Früh-, Fehl- und Totgeburten, aber auch das Risiko für Schwangerschaften außerhalb der Gebärmutter ist erhöht. Rauchen während der Schwangerschaft führt außerdem zu beeinträchtigter Entwicklung des ungeborenen Kindes, was ein geringeres Geburtsgewicht und eine geringere Größe des Neugeborenen bedingt. Abhängig von der Anzahl der gerauchten Zigaretten während der Schwangerschaft erhöht sich das Risiko von Lippen- Kiefer-Gaumenspalten. Kinder von rauchenden Müttern haben ferner ein erhöhtes Risiko, an plötzlichem Kindstod zu sterben (DKFZ, 2008).
2.3 Entstehung und Eigenschaften des Zigarettenrauchs
Zigarettenrauch entsteht durch die Verbrennung von Tabak, in geringerem Maße aus der Pyrolyse des ihn umgebenden Zigarettenpapiers und weiteren Hilfs- und Zusatzstoffen, z.B. Aromastoffen. Er ist eine hoch komplexe und hoch dynamische Mischung aus unterschiedlichen (Fremd-)Stoffen, von denen bisher ungefähr 5000 Bestandteile identifiziert wurden (Rodgman und Perfetti, 2009), darunter bis zu 150 bisher identifizierte toxische bzw. hoch reaktive Substanzen, 69 Kanzerogene und weitere Tumorpromotoren und Kokarzinogene (Hoffmann et al., 2001). Es wird jedoch geschätzt, dass circa 100 000 Substanzen noch nicht identifiziert wurden, entweder aus Mangel an etablierten Nachweismethoden oder wegen zu hoher Nachweisgrenzen (Adam et al., 2006).
Zigarettenrauch ist ein Aerosol, welches aus einer Gasphase und einer Partikelphase zusammengesetzt ist und sich durch experimentelle Methoden trennen lässt. Die Gasphase besteht aus ca. 400 bis 500 Einzelsubstanzen, darunter viele Komponenten lediglich in sehr geringen Konzentrationen. Diese Phase macht mit 90-96% den größten Anteil des Hauptstromrauches einer filterlosen Zigarette aus (Hoffmann und Hoffmann, 1997). Die Gasphase ist definiert als jener Teil des Rauchaerosols, der dazu in der Lage ist, einen Cambridge Glasfaserfilter zu passieren. Hauptbestandteile der Gasphase sind u.a. Stickstoff (60%), Kohlenstoffdioxid (13%), Sauerstoff (13%), Kohlenmonoxid (3,5%) und Wasser (2%) (Hoffmann et al., 1978). Toxikologisch bedeutsame Bestandteile der Gasphase sind Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Blausäure, Formaldehyd (100 µg/Zigarette), Acetaldehyd
7 (1000 µg/Zigarette), Acrolein, Benzol, 1,3-Butadien und flüchtige Nitrosamine. Bestandteile der Gasphase sind hauptsächlich leicht flüchtige Substanzen wie z.B. Kohlenstoffdioxid. Gering flüchtige Substanzen, vor allem größere Moleküle wie Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, verbleiben fast hauptsächlich in der Partikelphase.
Eine höhere Anzahl von Einzelsubstanzen kommt in der Partikelphase des Zigarettenrauchs vor, auch wenn sie mit nur ca. 4-9% des Zigarettenrauches bedeutend kleiner ist als die Gasphase (Adam et al., 2006). Diese Phase wird auf dem Cambridge Glasfaserfilter zurückgehalten und bildet das so genannte Kondensat. Die Partikelphase entsteht, während die an der Verbrennungszone der Zigarette gebildeten Gase bei der Passage der Zigarette zusammen mit Wassertröpfchen kondensieren. Sie besteht aus vielen organischen Substanzen, welche mit Wasser kondensieren und so winzige Tröpfchen bilden (Baker, 1999). Die Partikelgrößen variieren im Durchmesser zwischen 0,1 und <1 µm (Hoffmann et al., 2001). In tierexperimentellen Studien wurde festgestellt, dass die Exposition von Labortieren gegenüber der Gasphase keine Tumorbildung bewirkt, die Exposition gegenüber dem kompletten Gemischs hingegen Tumore des oberen Atemtraktes und der Lunge hervorruft. Dies war ein erster Hinweis, dass die Partikelphase (Teerfraktion) des Zigarettenrauches für die kanzerogene Wirkung verantwortlich ist.
Diese Unterscheidung zwischen Gas- und Partikelphase spiegelt nicht komplett die Zustände im Zigarettenrauch wider, denn einige halbflüchtige Substanzen, wie z.B. Phenol, sind unter anderem auch in der Gasphase zu finden (Hoffmann et al., 2001). Wichtigste Bestandteile der Partikelphase sind Nikotin (0,2-0,6% des Rauches insgesamt), verschiedene andere für die Pflanzengattung Nicotiana spezifische Alkaloide (ca. 0,02%), Catechole (ca. 1%), Terpene und kanzerogene wie nicht kanzerogene Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe mit der Hauptkomponente Benzo[a]pyren und eine Vielzahl von anderen Substanzen, darunter viele Kanzerogene, die jedoch nur in einem sehr geringen Prozentsatz enthalten sind (Hoffmann et al., 2001). Eine bedeutsame Gruppe sind die tabakspezifischen N-Nitrosamine, die sich vor allem durch N-Nitrosierung der Alkaloide während der Tabakverarbeitung, möglicherweise aber auch während des Rauchens bilden können. Es kommen noch weitere kanzerogene Verbindungen im Zigarettenrauch vor, jedoch lediglich in sehr geringen Konzentrationen, weswegen ihr Beitrag zum Krebsrisiko nicht quantifiziert werden kann, darunter z.B.
Ethylen, Vinylchlorid, Acrylnitril, Chinolin, Aza-Arene (stickstoffhaltige PAK) und Ethylenoxid als organische Verbindungen. Eine Zusammenfassung von ausgewählten identifizierten Substanzen im Zigarettenrauch ist in Tabelle 2 aufgeführt.
Das Wissen über die Aufteilung der verschiedenen Rauchkomponenten in die Gas- oder Partikelphase ist wichtig für die toxikologische Bewertung dieser Substanzen, weil die verschiedenen Phasen unterschiedliche Ablagerungseigenschaften im Atemtrakt besitzen, z.B., ob sie oral, pharyngeal, bronchial oder alveolär abgeschieden werden. Bestandteile der Partikelphase können abhängig von ihrer tatsächlichen Größe unterschiedlich tief in den Atemtrakt gelangen (Bernstein, 2004).
8 Tabelle 2: In Tabak und Tabakrauch nachgewiesene Substanzen (verändert nach Hoffmann et al., 2001).
Funktionelle Gruppen Anzahl im Tabak vorkommend
Anzahl im Rauch vorkommend
Anzahl in Tabak und Rauch vorkommend
Carbonsäuren 450 69 140
Aminosäuren 95 18 16
Ester 529 456 314
Kohlenhydrate 138 30 12
Nitrile 4 101 4
Amine 65 150 37
Phenole 58 188 40
N-Nitrosamine 23 18 19
Schwefelhaltige Komponenten 3 37 2
N-heterozyklische Verbindungen
Pyridine 63 324 46
Polyzyklische Aromaten 1 36 0
Ether 53 88 15
Kohlenwasserstoffe
Gesättigte Aliphaten 58 113 44
Ungesättigte Aliphaten 38 178 10
Monozyklische Aromaten 33 138 25
Polyzyklische Aromaten 55 317 35
Pestizide 28 25 25
Verschiedene 112 110 19
Anorganische Verbindungen und Metalle
105 111 69
Die im Tabak enthaltenen Metalle liegen vorwiegend als Oxide oder Salze vor, sind nur in sehr geringen Konzentrationen vorhanden und werden auch nur zu weniger als 1% in den Rauch überführt.
Folgende Metalle sind in Tabakprodukten nachweisbar: Kalium, Calcium und Magnesium und die kanzerogenen Metalle Cadmium, Chrom, Nickel und Polonium 210 (α-Strahler), welche im Tierversuch bei inhalativer Exposition Lungentumore induzieren.
Eine weitere Wirkung des Tabakrauches (sowohl Partikel- als auch Gasphase) auf den menschlichen Organismus ist die Induktion von oxidativem Stress sowohl in den oberen Atemwegen und der Lunge als auch in entfernteren Geweben. Tabakrauchen hat ebenfalls Auswirkungen auf den Vitamin-Haushalt des Körpers, denn verglichen mit Nichtrauchern haben Raucher eine niedrigere Vitamin-C-Konzentration im Blutplasma (Schectman et al., 1989).
9 Weiteren Einfluss auf den menschlichen Organismus nimmt Zigarettenrauch außerdem über die Beeinflussung des Stoffwechsels. Ein solcher Einfluss ist auf das im Zigarettenrauch vorkommende Nikotin zurückzuführen, das eine stimulierende Wirkung auf das sympatho-adrenale System ausübt.
So zeigen Raucher einen höheren Grundumsatz als Nichtraucher, folglich haben sie ein geringeres Körpergewicht. Hört ein Raucher mit dem Rauchen auf, so normalisiert sich der Stoffwechsel allmählich und es kommt ohne eine zusätzliche Kalorienzufuhr (verglichen mit der Kalorienzufuhr vor dem Rauchstopp) zu einer 5%-igen Gewichtszunahme. Einen weiteren Einfluss auf das Körpergewicht von Rauchern hat Nikotin über eine erhöhte Magensaftsekretion und eine Erhöhung der Motilität von Magen und Darm, wodurch die Verdauung angeregt und der Appetit gehemmt wird.
Die genaue chemische Zusammensetzung des Tabakrauches ist u.a. abhängig von der Luftströmung, in welcher der Rauch entsteht. Dabei unterscheidet man prinzipiell zwischen dem Hauptstromrauch, der während des Zuges an der Zigarette entsteht und vom Raucher eingeatmet wird, und dem Nebenstromrauch, der während der Zugpausen durch Verglimmen des Tabaks entsteht.
Eine brennende Zigarette kann in verschiedene Zonen eingeteilt werden (siehe Abbildung 2). In der so genannten Glutzone findet bei sehr hohen Temperaturen von ca. 900°C eine thermische Zersetzung des Tabaks und des Zigarettenpapiers statt. Diese hohen Temperaturen werden durch das kontinuierliche Ziehen des Rauchers am Mundstück unterhalten. In diesem Bereich wird unter reduktiven Bedingungen, d.h. unter Sauerstoffmangel, sowohl organisches als auch anorganisches Material thermisch zersetzt und gelangt in gasförmigem Zustand in die direkt dahinter liegende Destillationszone. In diesem Bereich der brennenden Zigarette vermischen sich die gasförmigen Reaktionsprodukte mit den aus dem frei werdenden Wasserdampf abdestillierten Stoffen. Direkt hinter diesem Bereich kühlt das komplexe Gemisch ab und es bildet sich ein Aerosol, in dem sich der Hauptwirkstoff des Tabaks, das Nikotin, befindet. Mit zunehmendem Abstand zur Glutzone sinkt die Temperatur, ein Teil des gebildeten Aerosols lagert sich in der Zigarette ab (Kondensationszone), wird in der vorrückenden Glutzone verbrannt oder aber wieder frei gesetzt und mit dem Hauptstromrauch eingeatmet. Bedingt durch die beschriebenen Prozesse reichert sich das Destillat mit zunehmender Nähe zum Mundstück an, so dass sich in Mundstücknähe ca. 80% des gesamten in der Zigarette enthaltenen Nikotins ansammelt. In den Zugpausen, während denen nicht an der Zigarette gesogen wird, werden die Tabakprodukte bei geringeren Temperaturen verbrannt, so dass mehr Stoffe abdestilliert als verbrannt werden. Abbildung 2 gibt eine Übersicht der im Haupt- und Nebenstrom enthaltenen Substanzen.
10 Abbildung 2: Die verschiedenen Zonen beim Abbrand einer Zigarette. In der Glutzone werden die Zigarettenausgangsstoffe bei 900°C thermisch zersetzt. In der Destillationszone werden Stoffe durch den entstehenden Wasserdampf freigesetzt, ein Teil davon kondensiert wieder bei geringeren Temperaturen in der Kondensationszone, um bei fortschreitendem Abbrand der Zigarette wieder abdestilliert zu werden. Der Nebenstromrauch entsteht in den Zugpausen bei tieferen Temperaturen.
Ein Teil des vom Raucher eingeatmeten Hauptstromrauches wird wieder abgeatmet. Wird in einem geschlossenen Raum geraucht, so ist der Tabakrauch in der Raumluft ein dynamisches Gemenge aus gealtertem und auch verdünntem Nebenstromrauch und dem vom Raucher wieder ausgeatmeten Hauptstromrauch. Der Rauch in der Raumluft altert innerhalb von Minuten bis Stunden, wobei sich die Zusammensetzung der Gas- und Partikelphase kontinuierlich verändert, so geht z.B. Nikotin von der Gasphase in die Partikelphase über und ist in der Lage, an Oberflächen zu binden.
Dies ergibt eine beträchtliche Belastung für Personen, die sich ebenfalls in diesem Raum befinden.
Diese stark diskutierte Problematik des so genannten Passivrauchens wird im folgenden Abschnitt erläutert.
2.4 Passivrauchen
Passivrauchen ist definiert als die Exposition eines Nichtrauchers gegenüber dem Tabakrauch eines aktiven Rauchers. Wie im oberen Abschnitt beschrieben, setzt sich der Passivrauch zu einem Hauptteil aus gealtertem und durch die Umgebungsluft verdünntem Nebenstromrauch und aus dem vom Raucher ausgeatmeten Hauptstromrauch zusammen. Der von einem Raucher ausgeatmete Hauptstromrauch besitzt eine andere Zusammensetzung als der von ihm eingeatmete Hauptstromrauch (Baek und Jenkins, 2004). Sowohl der von einem Raucher ausgeatmete Hauptstromrauch als auch der
11 bei niedrigeren Temperaturen entstehende Nebenstromrauch enthält krebserzeugende Substanzen, Nikotin und andere Toxine. Einige bekannte Kanzerogene sind im Passivrauch sogar in einer höheren Konzentration enthalten als im Hauptstromrauch (Sasco et al., 2004). Im Passivrauch wurden bisher ungefähr 7000 Chemikalien identifiziert, darunter mindestens 250 Chemikalien, welche ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Unter diesen gefährlichen Chemikalien wurden im Passivrauch mindestens 70 Chemikalien mit kanzerogenem Potential identifiziert (Hecht, 1999; IARC, 2004).
Gesundheitsgefährdende Stoffe im Passivrauch sind u.a. Arsen, Benzol, 1,3-Butadien, Cadmium, Chrom, Ethylenoxid, Nickel, Polonium 210 (ein radioaktives chemisches Element), Vinylchlorid, Formaldehyd, Benzo[a]pyren, Ammoniak, Blausäure und Toluol. Welche Chemikalien in welcher Konzentration im Passivrauch vorkommen, ist von mehreren Faktoren abhängig, z.B. der Tabaksorte, den Zusatzstoffen, welche dem Tabak beigemengt werden, der Art und Weise, wie das Tabakprodukt geraucht wird, und dem verwendeten Zigarettenpapier (IARC, 2002). Eine Übersicht der im Haupt-und Nebenstromrauch vorkommenden Substanzen und deren Verhältnis in Neben- bzw.
Hauptstromrauch ist in Tabelle 3 zusammengefasst. Einen generellen Grenzwert für die Konzentration von Tabakrauch in der Luft, der als unschädlich betrachtet werden kann, gibt es nicht, da beim Verbrennen einer Zigarette ein komplexes Gemisch verschiedener Substanzklassen freigesetzt wird.
Darunter sind auch viele kanzerogene oder potentiell kanzerogene Substanzen, die bereits in sehr geringen Konzentrationen schädlich für das Erbgut sein können. Ein wirksamer Nichtraucherschutz kann demnach nur durch ein Rauchverbot in geschlossenen Räumen erreicht werden, denn weder durch Lüften noch durch eingebaute Lüftungssysteme lässt sich die Innenraumluft komplett von Tabakrauch reinigen.
12 Tabelle 3: Auswahl einiger wichtiger Inhaltsstoffe von Haupt- und Nebenstromrauch einer Zigarette (verändert nach Aktories, Förstermann, Hofmann und Starke, 2004).
Komponente Hauptstromrauch
[µg/Zigarette]
Verhältnis
Nebenstromrauch/Hauptstromrauch
Acetaldehyd 500-1200 nicht bestimmt
Aceton 100-250 2-5
Acrolein 60-100 8-15
Ameisensäure 210-490 1,4-1,6
Ammoniak 50-130 3,5-5,1
Anilin 0,36 29,7
Benzo[a]anthrazen 0,003-0,05 2,7
Benzo[a]pyren 0,038 2,1-3,5
Benzol 12-48 5-10
1,3-Butadien 69 3-6
Cadmium 0,1-0,12 3,6-7,2
Cyanwasserstoff (HCN) 400-500 0,1-0,25
Essigsäure 330-810 1,9-3,6
Formaldehyd 70-100 0,1-50
Hydrazin 0,032 3
Kohlenmonoxid 13000-22000 2,5-4,7
Kohlenoxidsulfid 12-42 0,03-0,13
Methylchlorid 150-600 1,7-3,3
Nickel 0,02-0,08 12-31
Nikotin 1330-1830 2,6-3,3
Pyridin 16-40 6,5-20
Stickstoffmonoxid 100-600 4-10
2-Toluidin 0,03-0,2 19
Toluol 100-200 5,6-8,3
Biomarker für die Exposition gegenüber Passivrauch ist Cotinin, ein Metabolit von Nikotin, der auch bei Passivrauchern im Blutplasma oder Urin nachgewiesen werden kann. 70% bis 80% des aufgenommenen Nikotins wird zu Cotinin metabolisiert (Benowitz und Jacob, 1994). Im Blut kann Cotinin bis ca. eine Woche nach Tabakrauchexposition nachgewiesen werden (U.S. Environmental Protection agency, 1992). Typische Cotininkonzentrationen von Nichtrauchern im Blut liegen unter 10 µg/l, Werte zwischen 10 und 100 µg/l deuten auf gelegentliches Rauchen oder Passivrauchen hin und starke Raucher (mehr als 20 Zigaretten/Tag) haben typischerweise Werte über 100 µg/l (Ebner et al., 2012).
13 Personen, welche sich häufig in Räumen aufhalten, in denen geraucht wird, haben ein höheres Risiko für diverse Herz-Kreislauf-Krankheiten, Krebs und (chronische) Atemwegserkrankungen.
Passivrauchen erhöht das Risiko für Herzkrankheiten um ca. 30% (Barnoya und Glantz, 2005). Die Weltgesundheitsorganisation WHO geht davon aus, dass in Deutschland jährlich 2150 Menschen wegen Passivrauchens an Herzerkrankungen, 770 Menschen an einem Schlaganfall, 260 Passivraucher an Lungenkrebs und ca. 60 Säuglinge an plötzlichem Kindstod sterben (DKFZ, 2008).
Sind Nichtraucher über mehrere Jahre hinweg gegenüber Tabakrauch exponiert, so haben sie ein erhöhtes Risiko, Bronchialkarzinome zu entwickeln. Verglichen mit Nichtrauchern haben Personen in einem Raucherhaushalt dosisabhängig ein bis zu 20- bis 30-fach höheres Lungenkrebsrisiko. Aber auch Personen, die an ihrem Arbeitsplatz gegenüber Passivrauch exponiert sind, haben immerhin noch ein 16- bis 19-fach höheres Risiko, an Lungenkrebs zu erkranken. Aber nicht nur das Krebsrisiko ist bei Personen erhöht, die dauerhaft Passivrauch ausgesetzt sind. Passivraucher haben darüber hinaus ein höheres Risiko an anderen, mit dem Rauchen assoziierten Krankheiten wie koronaren Herzerkrankungen und Reizungen der Atemwege zu erkranken (Sasco et al., 2004).
Tabelle 4: Durch Rauchen bzw. Passivrauchen verursachte Krebserkrankungen. Aus: Durch Rauchen und Passivrauchen verursachte Krebserkrankungen; Heidelberg, 2008.
Durch Rauchen verursachte Krebsarten Durch Passivrauchen verursachte Krebsarten o Lungenkrebs
o Krebs im Mund-, Nasen- und Rachenraum o Kehlkopfkrebs
o Speiseröhrenkrebs o Leberkrebs
o Bauchspeicheldrüsenkrebs o Nierenkrebs
o Bestimmte Formen der Leukämie o Harnblasenkrebs
o Brustkrebs, Gebärmutterhalskrebs (wahrscheinlich)
o Lungenkrebs
o Brustkrebs (Frauen vor der Menopause) o Krebs der Nasennebenhöhlen
(wahrscheinlich)
Wenn Kinder dauerhaft Passivrauch ausgesetzt sind, so entwickeln sie mit höherer Wahrscheinlichkeit Erkrankungen der Atemwege, wie z.B. Asthma bronchiale, Bronchitis und Lungenentzündungen, als Kinder aus Nichtraucherhaushalten. Das amerikanische Gesundheitsministerium hat Berichte veröffentlicht, wonach die Exposition gegenüber Passivrauch bei Kindern zu einer verzögerten Entwicklung der Lungen, zu Hustenreizen, Mittelohrentzündungen und generellen Atemproblemen führt (U.S. Department of Health and Human Services, 2006 und 2010).
14
2.5 Zigaretten und ihre Inhaltsstoffe
Eine Zigarette ist aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt. Sie besteht aus den fermentierten, getrockneten und feingeschnittenen Blättern der Tabakpflanze, normalerweise 700 mg pro Zigarette, umwickelt mit speziellem Zigarettenpapier und einem Filter, der üblicherweise aus Celluloseacetat besteht. In Deutschland reguliert die Verordnung über Tabakerzeugnisse (kurz die Tabakverordnung), welche Zusatzstoffe einer Zigarette bzw. einem Tabakerzeugnis zugesetzt werden dürfen und welche verboten sind.
Während der Produktion werden dem Tabak unterschiedliche Stoffe zugemischt, welche sowohl die Aufnahme des Nikotins im Körper als auch seine dortige Wirkung erhöhen sollen. Darüber hinaus werden einige Aromastoffe eingesetzt, die der Geschmacksverbesserung dienen bzw. den normalerweise beißenden Rauch erträglicher für die Atemwege machen. Ansonsten werden noch weitere Zusatzstoffe zum Feuchthalten und Konservieren der Zigarette oder für bessere Abbrandeigenschaften der Zigarette eingesetzt. Eine Großzahl von Zusatzstoffen wird nach Angaben der Tabakkonzerne zur Geschmacksveränderung, zum Feuchthalten, zum Konservieren, für bessere Verbrennung und zum Binden der Bestandteile eingesetzt.
Von der Tabakverordnung zugelassene Inhaltsstoffe für die Verwendung in Tabak und in dem dazugehörigen Papier sind unter anderem: Die Feuchthaltemittel Glycerin, Propylenglykol, Triethylenglykol und 1,3-Butylenglykol, Schellack als Klebemittel sowie diverse Stoffe, die den Geschmack der Zigarette verändern bzw. den Rauch mildern, wie Lakritze, Kaffee, Tee und teeähnliche Produkte, Kakaoerzeugnisse, für die menschliche Ernährung geeignete Zuckerarten, auch karamellisiert, Dextrine, Melasse und Stärke. In Ausnahmefällen sind auch Konservierungsstoffe zugelassen.
Verboten für die Verwendung in Tabakprodukten sind verschiedene Teeröle, Campher (ein Monoterpenketon mit Wirkung auf das zentrale Nervensystem) und Campheröl, Cumarin (ein sekundärer Pflanzenstoff, dessen Verwendung in der EU eingeschränkt erlaubt ist), Safrol (ein Phenylpropanoid mit anisartigem Geruch und lebertoxischer Wirkung) und Thujon (verschiedene Monoterpenketone mit mentholartigem Geruch).
Momentan gibt es einen Entwurf für eine neue Tabakrichtlinie der EU, der vorsieht, dass drei Viertel der Vorder- und Rückseite einer Zigarettenschachtel mit abschreckend wirkenden Bildern von Raucherbeinen oder Krebspatienten versehen sein müssen. Zudem sollen verschiedene Geschmackszusatzstoffe wie Vanille, Menthol oder Erdbeere zukünftig verboten werden, um den Geruch und Geschmack des Tabaks nicht zu überdecken. Ziel dieser Richtlinie ist es, Käufer vom Konsum gesundheitsgefährdender Zigaretten abzuschrecken. Das Verbot der oben genannten
15 Geschmackszusatzstoffe soll vor allem vom Einstieg zum Zigarettenkonsum abhalten. Dieser Entwurf muss allerdings noch vom Europäischen Parlament und den Mitgliedsstaaten akzeptiert werden.
Wie in den vorigen Abschnitten beschrieben, sind nicht die in der Zigarette enthaltenen Inhaltsstoffe für die physiologischen und toxikologischen Effekte des Zigarettenrauchens verantwortlich, sondern hauptsächlich die Stoffe, die bei der Verbrennung der Zigarette (Tabak und Zigarettenpapier) entstehen. Die toxikologischen Eigenschaften der in der Zigarette enthaltenen Stoffe und deren Pyrolyseprodukte werden im nächsten Abschnitt, beginnend mit dem wichtigsten Inhaltstoff Nikotin, näher erläutert.
2.6 Nikotin und seine Wirkung
Nikotin ist ein in der Tabakpflanze synthetisiertes Alkaloid und wegen seiner psychoaktiven Wirkung auf das zentrale Nervensystem des Konsumenten für den hohen Suchtfaktor des Rauchens verantwortlich.
Anders als andere Alkaloide ist reines Nikotin bei Raumtemperatur eine farblose, hygroskopische, alkalische, ölige Flüssigkeit. Unter Luft- und Lichteinwirkung verfärbt sie sich bräunlich. Nikotin ist in Wasser und in organischen Lösungsmitteln gut löslich.
Abbildung 3: Strukturformel des Nikotins.
Eine Zigarette kann bis zu 13 mg Nikotin enthalten (Connolly et al., 2007) und der Verzehr von vier bis fünf Zigaretten kann für einen Erwachsenen tödlich sein (Aktories, Förstermann, Hofmann und Starke, 2004). Bei Kindern kann bereits die orale Aufnahme einer einzigen Zigarette zum Tod führen.
Nach oraler Nikotinaufnahme erfolgt allerdings eine rasche Metabolisierung in der Leber, aber auch in geringeren Anteilen in der Lunge und in den Nieren, mit einer Halbwertszeit von ein bis zwei Stunden, so dass nur geringe Mengen in den Kreislauf gelangen können (Cinciripini et al., 1997). Der Großteil des aufgenommenen Nikotins, ca. 80%, wird durch das Cytochrom-P450 abhängige Isoenzym CYP450 2A6 zu Cotinin oxidiert und dann zu weiteren Stoffwechselprodukten umgebaut, welche jedoch keine dem Nikotin vergleichbaren pharmakologischen Eigenschaften besitzen und im Urin von Rauchern nachweisbar sind. Die weitere Metabolisierung von Cotinin verläuft hingegen langsamer als
16 die von Nikotin, ist aus diesem Grund im Blut länger nachweisbar und besitzt eine Halbwertszeit von ca. 18 Stunden. Der größte Anteil des aufgenommenen Nikotins wird als hydroxyliertes Cotinin und dessen O-Glururonid mit dem Urin aus dem Körper ausgeschieden.
Nikotin kann allerdings auch in nichtmetabolisierter Form über die Niere ausgeschieden werden, diese Elimination ist allerdings abhängig vom pH-Wert des Urins. Über diesen Weg werden ungefähr 10%
der aufgenommenen Nikotin-Menge aus dem Körper ausgeschieden. Werden toxische Nikotindosen aufgenommen, so erfolgt zunächst eine zentrale Erregung, gefolgt von einer Hemmung der Atmung und nachfolgendem Kreislaufzusammenbruch. Als Gegenmaßnahme einer erhöhten Nikotinaufnahme wird die orale Gabe von Aktivkohle empfohlen. Bei Vergiftungen über die Haut sollte eine gründliche Reinigung mit viel Wasser und Seife erfolgen.
Von den bis zu 13 mg Nikotin, die in einer typischen Zigarette enthalten sind, werden ca. ein bis zwei Milligramm aufgenommen (Djordjevic et al., 2000). Ein starker Raucher, der 20 Zigaretten am Tag raucht, nimmt demnach insgesamt 20 bis 40 mg Nikotin auf.
Beim Rauchen von Zigaretten erfolgt die Nikotinresorption ins Blut hauptsächlich über die Lunge und erreicht innerhalb weniger Sekunden das Gehirn. Eine Bindung an Proteine des Blutplasmas findet nicht statt und Nikotin verteilt sich in beinahe alle Körpergewebe. Im Gegensatz zur oralen Aufnahme wird Nikotin bei inhalativer Aufnahme nicht durch Stoffwechselprozesse abgebaut. Der Ort der Nikotinaufnahme ist allerdings abhängig vom pH-Wert des Tabakrauches. Zigarren- und Pfeifenrauch ist basisch und hat typischerweise einen pH-Wert von ca. 7 bis 8,5. Hier wird Nikotin größtenteils über die Mundschleimhaut aufgenommen. Zigarettenrauch ist mit einem pH-Wert von 5,8 bis 6,2 leicht sauer und wird über die Lunge resorbiert. Die lipophile Base des Nikotins kann biologische Membranen leicht passieren, darunter auch die Blut-Hirn-Schranke.
Im Körper entfaltet Nikotin seine Wirkung durch Bindung an Nikotinrezeptoren (nikotinerge Acetylcholinrezeptoren) auf sympathischen oder parasympathischen Ganglien des autonomen Nervensystems. Nikotin depolarisiert dort die postsynaptische Membran dieser Ganglien, welche unbewusste Körperfunktionen wie z.B. den Herzschlag und die Verdauung regulieren. Die Wirkung des Nikotins ist abhängig von der Dosis und den Zeiträumen zwischen der Nikotinaufnahme. Bei Aufnahme von geringen Nikotinmengen, wie sie bei mäßigem Rauchen aufgenommen werden, überwiegt die erregende Wirkung auf sympathische Ganglien und Blutdruck sowie Herzschlagfrequenz werden erhöht. Hohe Nikotindosen hingegen senken den Blutdruck und die Herzschlagfrequenz.
Nikotin beeinflusst noch weitere Prozesse im Körper, wie z.B. die Nahrungsaufnahme, indem es appetitzügelnd wirkt und gleichzeitig den Ruheenergieverbrauch erhöht. Die Darmtätigkeit wird angeregt, die Blutgerinnung wird gefördert, was zu einer höheren Thrombosegefahr bei Rauchern führt, und über die Erregung von Schmerzrezeptoren wird die Schmerzempfindlichkeit erhöht. Die
17 Anwesenheit von Nikotin im Körper führt zur erhöhten Freisetzung einer Vielzahl von Neurotransmittern, wie z.B. Dopamin, Noradrenalin, Acetylcholin, Vasopressin, Serotonin und β-Endorphin, wodurch verschiedene psychische Effekte beim Raucher hervorgerufen werden. Diese Effekte sind entscheidend dafür, dass es für Raucher schwer ist, mit dem Rauchen aufzuhören (Reichl, 1997; Haustein, 2001; Benowitz, 2008). Diese Problematik wird im nächsten Abschnitt behandelt.
2.7 Entstehung der Nikotinabhängigkeit und der Nikotinentzug
Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, gelangt das mit dem Tabakrauch aufgenommene Nikotin schnell ins Gehirn und bewirkt dort eine Reihe von Effekten, wie z.B. die Ausschüttung von verschiedenen Neurotransmittern. Dieses schnelle Anfluten des Nikotins ist ein Faktor, der bei der Entstehung der Nikotinabhängigkeit eine entscheidende Rolle spielt. Die Nikotinabhängigkeit beinhaltet sowohl eine physische als auch eine psychische Komponente. Die physische Nikotinabhängigkeit wird durch die Wirkung des Nikotins im Gehirn des Rauchers hervorgerufen, indem Nikotin dort über entsprechende Rezeptoren an Dopaminneuronen bindet, welche sich im so genannten „Belohnungszentrum“ des Gehirns befinden, und zu einer Dopaminfreisetzung sowie zur Entstehung von positiven Gefühlen führt. Dieser erhöhte Dopaminspiegel im Belohnungszentrum führt zu einem ständigen Verlangen nach Nikotinzufuhr (Haustein, 2001). Der Körper gewöhnt sich schnell an die Nikotinaufnahme, was zu einer vermehrten Expression von Nikotinrezeptoren im Gehirn führt. Die Folge ist, dass der Raucher immer größere Mengen an Nikotin aufnehmen muss, um alle vorhandenen Rezeptoren mit Nikotin zu besetzen, die gewünschte positive Wirkung zu erzielen und Entzugssymptome zu unterdrücken (Benwell et al., 1988).
Die psychische Nikotinabhängigkeit entsteht dadurch, dass Nikotin gleichzeitig zu der oben geschilderten Dopaminfreisetzung im Belohnungszentrum weitere Dopaminneuronen im präfrontalen Cortex stimuliert. Diese Region des Gehirns im Frontallappen der Großhirnrinde ist oberstes Kontrollzentrum für eine situationsangemessene Handlungssteuerung und gleichzeitig an der Regulation gefühlsmäßiger Prozesse beteiligt. Die Folge dieser Stimulation ist, dass das Rauchen einer Zigarette mit bestimmten Situationen (z.B. der ersten Tasse Kaffee nach dem Aufstehen), bestimmten Handlungen (z.B. der Bewegung der Zigarette zum Mund) und Empfindungen beim Rauchen (wie Geruch oder Geschmack des Zigarettenrauches im Hals) in Verbindung gebracht wird und auf diese Weise eine Konditionierung erfolgt. Durch diese Konditionierung wird der Nikotinentzug zusätzlich zu der physischen Komponente erschwert, weil bestimmte Handlungen das Verlangen nach einer Zigarette hervorrufen können.
Bekommt ein Raucher über einen längeren Zeitraum kein Nikotin, so verlangen die Nikotinrezeptoren nach Sättigung und es stellen sich Entzugserscheinungen ein. Solche Entzugserscheinungen sind u.a.
18 innere Unruhe, erhöhte Reizbarkeit, schlechte Stimmung bis hin zu depressiven Phasen und Konzentrationsproblemen. Außerdem nimmt das Verlangen nach Tabak bzw. Nikotin zu. Diese Symptome werden durch die physische Abhängigkeit von Nikotin ausgelöst, sind normalerweise in den ersten Wochen nach der letzten Zigarette am stärksten ausgeprägt und reduzieren sich mit fortdauernder Nikotinsabstinenz. Bereits nach dreiwöchiger Nikotinabstinenz hat sich die Anzahl der nikotinergen Rezeptoren im Gehirn wieder auf ein normales Niveau reguliert. Die psychische Nikotinabhängigkeit und das Verlangen nach einer Zigarette, das mit bestimmten Ritualen und Handlungen verbunden ist, zu überwinden, ist hingegen weitaus schwieriger. Dieses Verlangen kann Jahre andauern und nur mit einer Veränderung von Verhaltensweisen überwunden werden.
2.8 Weitere Inhaltsstoffe von Zigaretten und deren Wirkung
Wie oben beschrieben, ist das angenehme Gefühl, das Zigarettenrauch beim Raucher auslöst, ein Grund für die Nikotinabhängigkeit. Entscheidend für die Entstehung dieses angenehmen Gefühls ist die Menge des bioverfügbaren Nikotins im Rauch, d.h., das Nikotin muss in Form der freien Nikotinbase vorliegen. Im Zigarettenrauch, welcher einen eher sauren pH-Wert von 5,8 bis 6,2 besitzt, liegt Nikotin vorwiegend als nicht flüchtiges Salz vor und wird erst nach Inhalation über die Lunge nur langsam ins Blut aufgenommen. Dem Tabak zugesetzte Stoffe, wie z.B. der stark basische Ammoniak, tragen dazu bei, dass ein größerer Anteil von Nikotin als Nikotinbase vorliegt und der gewünschte Nikotineffekt erzielt wird, indem Nikotin schneller resorbiert wird. Auf diese Weise gelangt Nikotin schneller ins Blut und somit auch ins Gehirn, wo es seine pharmakologische Wirkung entfalten kann.
Dem Tabak zugesetzte Stoffe wie Ammoniak und Zucker sollen bewirken, dass der Rauch „weicher“
wird und die Inhalation des Zigarettenrauches kein unangenehmes, kratziges Gefühl im Hals auslöst.
Zucker kommt allerdings auch als natürlicher Bestandteil im Tabak vor. Verbrennt nun der im Tabak enthaltene Zucker, so entstehen erhebliche Mengen an Aldehyden. Diese Aldehyde bewirken wie Ammoniak eine erhöhte Aufnahme von Nikotin in den Organismus. Zusätzlich zu diesem gewünschten Effekt besitzen Aldehyde allerdings auch eine Reihe von ungewollten Effekten. Inhalativ aufgenommenes Formaldehyd kann u.a. reizend auf die Atemwege wirken und kann Tumore des Nasenrachenraums induzieren (BfR, 2006).
Neben diesen Tabakzusatzstoffen, welche die Aufnahme des Nikotins in den Körper erhöhen sollen, werden dem Tabak noch weitere Stoffe beigemengt, die den unangenehmen Geschmack des Tabakrauchs modifizieren, sowie physikalisch chemische Eigenschaften des Zigarettenrauchs verändern sollen. Solche Substanzen sind z.B. Glycyrrhizin, Kakao, Honig, Menthol und Gewürze.
Glycyrrhizin ist ein Saponin, welches natürlicherweise in der Wurzel der Süßholzpflanze vorkommt
19 und auch zur Lakritzherstellung verwendet wird. Glycyrrhizin ist ca. 50-fach süßer als Rohrzucker.
Glycyrrhizin und das zu einem geringen Teil im Kakao enthaltene Theobromin dienen allerdings nicht nur dazu, den unangenehmen Geschmack des Tabakrauchs zu maskieren. Inhalativ aufgenommen bewirken sie außerdem noch eine Erweiterung der Bronchien, sie sind Bronchodilatoren und fördern dadurch zusätzlich die Nikotinaufnahme in den Organismus.
Der Zusatz von Menthol zum Tabak dient ebenfalls dazu, die Inhalation des Tabakrauchs angenehmer zu machen. Menthol hat einen schmerzlindernden und kühlenden Effekt auf die Atemwege. Auf diese Weise wird ein tieferes Einatmen des Zigarettenrauchs erleichtert, ein Effekt, den insbesondere Personen, die mit dem Rauchen anfangen, ausnutzen. Die Zugabe von Menthol zum Tabak ist jedoch eher negativ zu bewerten, da durch die tiefere und längere Inhalation von Zigarettenrauch mehr Schadstoffe in die Lunge gelangen.
3 Die elektrische Zigarette
Die elektrische Zigarette, auch rauchlose Zigarette, elektronische Zigarette oder E-Zigarette genannt, ist ein elektrisches Gerät, das in Gestalt und Größe einer normalen Zigarette ähnelt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Zigarette enthalten elektrische Zigaretten allerdings keinen Tabak, sondern Flüssigkeiten, die entweder kein Nikotin oder Nikotin in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten.
Aus diesem Grund handelt es sich bei der elektrischen Zigarette auch nicht um ein Tabakprodukt, sondern um ein Nikotinprodukt. Die nikotinhaltigen Flüssigkeiten werden Liquids genannt und sind in Kartuschen oder Depots in der elektrischen Zigarette enthalten (siehe Abbildung 4).
Die elektrische Zigarette in ihrer heutigen Form wurde nicht von der Tabakindustrie, sondern von der Elektronik-Gesellschaft Ruyan im Jahr 2004 in China erfunden. Seitdem hat sich die Bekanntheit und der Gebrauch von elektrischen Zigaretten über die ganze Welt verbreitet und es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Hersteller, die ihre Waren sowohl in Geschäften als auch im Internet anbieten.
Ursprünglich wurden elektrische Zigaretten hauptsächlich in China produziert, aber mittlerweile werden einige Modelle auch in anderen Ländern produziert. In Deutschland verwenden zurzeit geschätzt zwei Millionen Menschen regelmäßig elektrische Zigaretten (van den Heuvel, 2012). Bereits einige Zeit vor Entwicklung der elektrischen Zigarette wurden so genannte elektrisch beheizte Zigaretten entwickelt, bei denen der enthaltene Tabak nicht verbrannt, sondern lediglich elektrisch auf ca. 600°C erhitzt wurde (Patskan und Reininghaus, 2003). Durch die erniedrigte Temperatur entstehen verglichen mit einer herkömmlichen Zigarette bei Verwendung dieser elektrisch beheizten Zigarette weniger toxikologisch bedenkliche Stoffe wie z.B. Kanzerogene (Stabbert et al., 2003).
20 Abbildung 4: Einzelteile einer elektrischen Zigarette. 1: Leuchtdiode; 2: Zigarettenkörper mit Batterie und Schaltkreis; 3: Elektrischer Vernebler; 4: Kartusche mit Flüssigkeit (Liquid); 5: Mundstück; 6: Geöffnete Nachfüllkartusche; 7: Originalverpackung mit Nachfüllkartusche. Aus „Elektrische Zigaretten“ Publikation des Deutschen Krebsforschungszentrums, Heidelberg.
Wie in Abbildung 4 gezeigt, sind elektrische Zigaretten aus verschiedenen Bauteilen aufgebaut, wobei sich die genaue Bauweise, abhängig von Hersteller und Funktionsweise, unterscheiden kann.
Außerdem gibt es Unterschiede in der Größe der Flüssigkeitsdepots. Leere Kartuschen werden vom Konsumenten ausgewechselt. Es gibt nachfüllbare Varianten oder Einwegmodelle. Bei den nachfüllbaren Versionen besteht die Gefahr, dass der Konsument unbeabsichtigt mit der nikotinhaltigen Flüssigkeit in Berührung kommt. Diese Kartuschen stellen darüber hinaus ein Risiko der Nikotinintoxikation von Kleinkindern dar, wenn sie in deren Reichweite aufbewahrt werden.
Es gibt zwei unterschiedliche Systeme elektrischer Zigaretten mit unterschiedlicher Funktionsweise.
Es gibt elektrische Zigaretten, die Liquids vernebeln-ihre Funktionsweise ist unten beschrieben.
Außerdem gibt es elektrische Zigaretten mit Tabakerhitzung. Im Gegensatz zu dem Tabak einer herkömmlichen Zigarette wird dieser bei der elektrischen Zigarette nicht verbrannt, sondern lediglich auf Temperaturen von ca. 600°C erhitzt und das dabei entstehende Aerosol eingeatmet.
Bei der anderen Version der elektrischen Zigarette wird eine mehr oder weniger nikotinhaltige Flüssigkeit verdampft bzw. vernebelt. Elektrische Zigaretten mit Tabakverneblung bestehen aus einer Stromquelle (diese kann eine Batterie oder ein Akku sein), einem elektrischen Vernebler, einer austauschbaren Kartusche (Depot) mit der nikotinhaltigen oder nikotinfreien Flüssigkeit (Liquid) und einer Steuerungselektronik. Um das Glimmen einer echten Zigarette zu simulieren, besitzen viele Fabrikate elektrischer Zigaretten an ihrer Spitze eine Diode, die rot aufglüht, wenn am Mundstück gesogen wird. Durch das Saugen am Mundstück wird darüber hinaus ein Unterdrucksensor aktiviert, der wiederum eine Heizspirale steuert, und das Liquid wird bei einer Temperatur von ca. 65°C vernebelt. Das auf diese Weise zerstäubte Nikotin wird dann vom Benutzer eingeatmet. Sobald nicht
21 mehr am Mundstück gesogen wird, schaltet sich die Elektronik der Zigarette automatisch aus und es wird kein Aerosol mehr produziert. Die leeren Kartuschen werden vom Konsumenten ausgetauscht.
Auch hier gibt es verschiedene Systeme. Es gibt Ersatzkartuschen, die bereits vom Hersteller gebrauchsfertig mit dem entsprechenden Liquid befüllt sind, und offene Kartuschen, welche vom Konsumenten selbst aufgefüllt werden. Die nachfüllbaren Modelle sind wegen ihres günstigen Preis- Leistungs-Verhältnisses bei den Konsumenten besonders beliebt. Nahezu alle derzeit erhältlichen elektrischen Zigaretten funktionieren auf diese Weise und vernebeln eine Flüssigkeit.
Von den Herstellern werden elektrische Zigaretten häufig als ungefährlichere Variante des Rauchens oder als Methode zur Rauchentwöhnung beworben. Eine umfassende Risikobewertung der elektrischen Zigarette erfolgte bislang jedoch nicht. Diese Bewertung erweist sich allerdings aufgrund der relativ kurzen Verfügbarkeit der elektrischen Zigaretten, der unterschiedlichen Bauweise und der Vielzahl der Hersteller als sehr schwierig. In dieser Arbeit sollen die bisher verfügbaren Informationen der Risikobewertung der elektrischen Zigarette mit dem bekannten Gefährdungspotential herkömmlicher Zigaretten verglichen werden.
Laut der Aussage eines industriellen Interessenverbandes von Herstellern elektrischer Zigaretten (Electronic Cigarette Association) erreichte der Verkauf elektrischer Zigaretten im Jahr 2009 weltweit eine Marke von 100 Millionen US-Dollar. Verglichen mit den Einnahmen aus dem Verkauf herkömmlicher Tabakprodukte ist dies allerdings nur ein sehr kleiner Teil, aber seit der Einführung elektrischer Zigaretten im Jahr 2004 stieg der Verkauf und die Popularität solcher Produkte stetig an.
Es ist anzunehmen, dass mit ständiger Weiterentwicklung und Verbesserung der Sicherheit elektrischer Zigaretten deren Akzeptanz bei Neukonsumenten weiter ansteigen wird. Laut einer Umfrage von Herstellern elektrischer Zigaretten geben deren Kunden verschiedene Gründe an, warum sie sich für den Kauf einer elektrischen Zigarette entschieden haben. Einige wollen durch den Umstieg von einer konventionellen zu einer elektrischen Zigarette den kompletten Nikotinentzug einleiten.
Eine Gruppe von Konsumenten gibt an, dass sie weiter rauchen wollen und die elektrische Zigarette auf Plätzen benutzen werden, an denen das Rauchen herkömmlicher Tabakprodukte verboten ist. Als weitere Gründe für den Erwerb elektrischer Zigaretten werden die im Vergleich mit normalen Zigaretten geringeren Kosten und die Suche nach einem gesundheitlich weniger gefährlichen Produkt angegeben (Rafter, 2008).
3.1 Inhaltsstoffe elektrischer Zigaretten
Nach einer 2009 veröffentlichten Untersuchung enthält eine Kartusche einer elektrische Zigarette der Firma Ruyan (Modell V8), die nach Angaben des Herstellers 16 mg Nikotin enthalten soll, 90%
Propylenglykol, 8,8% Wasser, 1,4% Nikotin (13 bis 14 mg) und 0,1% Glycerin (Laugesen, 2009).
22 Insgesamt wurden in dem untersuchten Liquid vier Kanzerogene nachgewiesen, bei denen es sich allerdings um keine humanen Kanzerogene handelt (Hort Research, 2008). Kanzerogene Schwermetalle (Arsen, Cadmium, Chrom, Nickel und Blei) wurden nicht in einer Konzentration größer als 0,2 µg/g nachgewiesen (Fitzmaurice, 2008). In sehr geringen Mengen wurden in dem Liquid unter anderem Toluol, Ethanol, Bipyridin und 1-Propanol nachgewiesen (British American Tobacco Research&Development, 2007).
Neben dem Liquid wurde auch der beim Rauchen einer elektrischen Zigarette entstehende Dampf auf bekannte im Rauch einer herkömmlichen Zigarette vorkommende toxische Substanzen untersucht. Der Rauch einer Ruyan-V8-E-Zigarette setzt sich folgendermaßen zusammen: 82% Propylenglykol, 15%
Wasser, 1% Nikotin in der freien Base und 2% Partikel und Geschmacksstoffe (Proctor und Murphy, 2009). Von den 50 wichtigsten Giften, die bisher im Rauch einer herkömmlichen Zigarette nachgewiesen wurden, wurde in dieser Studie kein Stoff im Dampf einer elektrischen Zigarette nachgewiesen (Proctor und Murphy, 2009). Nicht nachgewiesen wurden u.a. Aldehyde wie z.B.
Acrolein, flüchtige Substanzen wie Ammoniak, Vinylchlorid und Toluol, Phenol und die krebserregenden Tabak-spezifischen N-Nitrosamnine N-Nitrosoanabasin (NAB), N-Nitrosonornicotin (NNN) und N-Nitrosoanatabin NAT (Laugesen, 2009). Im Dampf der untersuchten elektrischen Zigarette wurde jedoch das Metall Quecksilber in einer Menge von 0,17 ng je elektrischer Zigarette nachgewiesen. Diese Menge liegt nur knapp über der Meldegrenze von 0,13 ng (Proctor und Murphy, 2009).
Wie oben bereits erwähnt, gibt es eine große Anzahl verschiedener Hersteller von elektrischen Zigaretten und deshalb auch eine große Produktbandbreite. Die gebräuchlichsten Lösungsmittel für das in den Liquids enthaltene Nikotin sind Propylenglykol (1,2-Propandiol) und Glycerin (Propan-1,2,3-triol). Diese Stoffe dienen als Vernebelungsmittel, damit bei Erhitzung ein Aerosol entsteht, das optisch und sensorisch an den Rauch einer herkömmlichen Zigarette erinnert (Goniewicz et al., 2012).
Wegen seiner geringen Toxizität ist Propylenglykol für die Verwendung als Lebensmittelzusatzstoff (E 1520) und für die Anwendung in Kosmetikprodukten wie Hautcremes und Deodorants als Feuchthaltemittel zugelassen. Außerdem wurden in entsprechenden Versuchen keine mutagenen oder kanzerogenen Effekte nachgewiesen (Andersen, 1994; Lamb, 1997). Tabakprodukten wird diese Verbindung ebenfalls als Feuchthaltemittel zugesetzt (Paschke et al., 2002). Aufgrund der Tabakverordnung ist der Propylenglykolgehalt in Tabakprodukten auf 5% begrenzt. Außerdem findet Propylenglykol Anwendung in Nebelmaschinen-u.a. in Theatern, Diskotheken und bei Sicherheitsübungen in Flugzeugen, wobei die Menschen in der Umgebung direkt über die Atemwege dem entstandenen Nebel ausgesetzt sind. Darüber hinaus wird Propylenglykol häufig als Lösungsmittel für Arzneien, die als Aerosol vom Patienten aufgenommen werden (Montharu et al., 2010) und in wasserbasierten Farben, Enteisungsmitteln (z.B. bei Flugzeugen) und in
23 Kühlflüssigkeiten von Automotoren verwendet. Es ist allerdings bekannt, dass Propylenglykol bei sowohl kurzfristiger als auch wiederholter Inhalation reizend auf die Atemwege wirkt (Wieslander et al., 2001; Varughese et al., 2005) und bei Verwendung in Zahnpasta reizend bei Hautkontakt ist (Skaare et al., 1997). Ferner wurde berichtet, dass der Kontakt mit Propylenglykol Allergien auslösen kann (Wieslander et al., 2001), allerdings gibt es zurzeit noch zu wenige Informationen über mögliche gesundheitliche Effekte bei längerfristiger Propylenglykol-Exposition.
Glycerin ist ebenfalls als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen und wird mit dem Kürzel E 422 gekennzeichnet. Glycerin besitzt wasserbindende Eigenschaften und wird aus diesem Grund verschiedenen Lebensmitteln zugesetzt, um deren Austrocknung zu verhindern, darunter z.B.
Kakaoerzeugnisse und Kaugummi. Kosmetikprodukten wird Glycerin als Feuchtigkeitsspender zugesetzt. Wie oben bereits erwähnt, wird Glycerin als Feuchthaltemittel verschiedenen Pfeifen- und Zigarettentabak zugesetzt und verlängert die Lagerungszeiten der Tabakprodukte, indem das Austrocknen verhindert wird.
Weitere Inhaltsstoffe der Liquids sind Wasser, Ethanol und weitere Zusätze, die allerdings in Menge und Zusammensetzung je nach Hersteller variieren. Die Liquids sind mit verschiedenen Aromen versetzt und in verschiedenen Geschmacksrichtungen wie z.B. Tabak, Menthol, Erdbeere, Apfel, Schokolade oder Vanille erhältlich. Mit dem gleichen Basisgerät lassen sich mit Hilfe der auswechselbaren Kartuschen Liquids unterschiedlicher Geschmacksrichtungen konsumieren. Die unterschiedlichen Geschmacksrichtungen der Liquids sind zusätzlich noch mit unterschiedlichen Nikotinmengen kombinierbar und es sind auch Liquids ohne Nikotin erhältlich. In der Regel enthalten die Liquids zwischen 0 und 24 mg Nikotin je Kartusche und Hersteller (Trehy et al., 2011). Die genauen Nikotinmengen sind jedoch nur in seltenen Fällen auf den Kartuschen angegeben. Stattdessen sind sie mit ungenauen Angaben zum Nikotingehalt wie z.B. niedrig, mittel oder hoch gekennzeichnet.
Bei einer genaueren Untersuchung des Nikotingehalts der Kartuschen verschiedener Hersteller stellte sich heraus, dass die auf der Verpackung angegebene Nikotinmenge nicht der tatsächlichen Befüllung entspricht. So wurde bei einer elektrischen Zigarette, welche laut Herstellerangabe kein Nikotin enthalten sollte, Nikotin im Dampf nachgewiesen (Westenberger, 2009). In einer anderen Studie wurde in einer Kartusche, die als nikotinfrei gekennzeichnet war, Nikotin nachgewiesen (Hadwiger et al., 2010). Ein Vergleich der angegebenen und gemessenen Nikotinmenge in den Kartuschen und den Nachfülllösungen ergab eine bis zu 20%ige Abweichung. Allerdings war der größte Teil der untersuchten Kartuschen bzw. Lösungen korrekt gekennzeichnet (Goniewicz et al., 2012). Um die Sicherheit und Zufriedenheit der Verwender elektrischer Zigaretten zu gewährleisten, sollten die Hersteller Qualitätsstandards für die Erzeugung elektrischer Zigaretten und der Nikotinlösungen einführen. Diese Standards sollten die korrekte Befüllung und Kennzeichnung der Nikotinlösungen und die Sicherheit beim Nachfüllen bzw. Austauschen der nikotinhaltigen Kartuschen einschließen.
