Rationale: E-cigarettes have become increasingly popular and little is known about their potential adverse health effects.Objectives: To determine the effects of e-cigarette use on the airways.Methods: Induced sputum samples from cigarette smokers, e-cigarette users, and nonsmokers were analyzed by quantitative proteomics, and the total and individual concentrations of mucins MUC5AC and MUC5B were determined by light scattering/refractometry and labeled mass spectrometry, respectively. Neutrophil extracellular trap (NET) formation rates were also determined for the same groups.Measurements and Main Results: E-cigarette users exhibited significant increases in aldehyde-detoxification and oxidative stress–related proteins associated with cigarette smoke compared with nonsmokers. The levels of innate defense proteins associated with chronic obstructive pulmonary disease, such as elastase and matrix metalloproteinase-9, were significantly elevated in e-cigarette users as well. E-cigarette users’ sputum also uniquely exhibited significant increases in neutrophil granulocyte–related and NET-related proteins, such as myeloperoxidase, azurocidin, and protein-arginine deiminase 4, despite no significant elevation in neutrophil cell counts. Peripheral neutrophils from e-cigarette users showed increased susceptibility to phorbol 12-myristate 13-acetate–induced NETosis. Finally, a compositional change in the gel-forming building blocks of airway mucus (i.e., an elevated concentration of mucin MUC5AC) was observed in both cigarette smokers and e-cigarette users.Conclusions: Together, our results indicate that e-cigarette use alters the profile of innate defense proteins in airway secretions, inducing similar and unique changes relative to cigarette smoking. These data challenge the concept that e-cigarettes are a healthier alternative to cigarettes.

The combination of irradiated fibroblast feeder cells and Rho kinase inhibitor, Y-27632, conditionally induces an indefinite proliferative state in primary mammalian epithelial cells. These conditionally reprogrammed cells (CRCs) are karyotype-stable and nontumorigenic. Because self-renewal is a recognized property of stem cells, we investigated whether Y-27632 and feeder cells induced a stem-like phenotype. We found that CRCs share characteristics of adult stem cells and exhibit up-regulated expression of α6 and β1 integrins, ΔNp63α, CD44, and telomerase reverse transcriptase, as well as decreased Notch signaling and an increased level of nuclear β-catenin. The induction of CRCs is rapid (occurs within 2 d) and results from reprogramming of the entire cell population rather than the selection of a minor subpopulation. CRCs do not overexpress the transcription factor sets characteristic of embryonic or induced pluripotent stem cells (e.g., Sox2, Oct4, Nanog, or Klf4). The induction of CRCs is also reversible, and removal of Y-27632 and feeders allows the cells to differentiate normally. Thus, when CRCs from ectocervical epithelium or tracheal epithelium are placed in an air–liquid interface culture system, the cervical cells form a well differentiated stratified squamous epithelium, whereas the tracheal cells form a ciliated airway epithelium. We discuss the diagnostic and therapeutic opportunities afforded by a method that can generate adult stem-like cells in vitro without genetic manipulation.

Exposure to cigarette smoke is known to result in impaired host defense responses and immune suppressive effects. However, the effects of new and emerging tobacco products, such as e-cigarettes, on the immune status of the respiratory epithelium are largely unknown. We conducted a clinical study collecting superficial nasal scrape biopsies, nasal lavage, urine, and serum from nonsmokers, cigarette smokers, and e-cigarette users and assessed them for changes in immune gene expression profiles. Smoking status was determined based on a smoking history and a 3- to 4-wk smoking diary and confirmed using serum cotinine and urine 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanol (NNAL) levels. Total RNA from nasal scrape biopsies was analyzed using the nCounter Human Immunology v2 Expression panel. Smoking cigarettes or vaping e-cigarettes resulted in decreased expression of immune-related genes. All genes with decreased expression in cigarette smokers ( n = 53) were also decreased in e-cigarette smokers. Additionally, vaping e-cigarettes was associated with suppression of a large number of unique genes ( n = 305). Furthermore, the e-cigarette users showed a greater suppression of genes common with those changed in cigarette smokers. This was particularly apparent for suppressed expression of transcription factors, such as EGR1, which was functionally associated with decreased expression of 5 target genes in cigarette smokers and 18 target genes in e-cigarette users. Taken together, these data indicate that vaping e-cigarettes is associated with decreased expression of a large number of immune-related genes, which are consistent with immune suppression at the level of the nasal mucosa.

Innate immune cells of the respiratory tract are the first line of defense against pathogenic and environmental insults. Failure of these cells to perform their immune functions leaves the host susceptible to infection and may contribute to impaired resolution of inflammation. While combustible tobacco cigarettes have been shown to suppress respiratory immune cell function, the effects of flavored electronic cigarette liquids (e-liquids) and individual flavoring agents on respiratory immune cell responses are unknown. We investigated the effects of seven flavored nicotine-free e-liquids on primary human alveolar macrophages, neutrophils, and natural killer (NK) cells. Cells were challenged with a range of e-liquid dilutions and assayed for their functional responses to pathogenic stimuli. End points included phagocytic capacity (neutrophils and macrophages), neutrophil extracellular trap formation, proinflammatory cytokine production, and cell-mediated cytotoxic response (NK cells). E-liquids were then analyzed via mass spectrometry to identify individual flavoring components. Three cinnamaldehyde-containing e-liquids exhibited dose-dependent broadly immunosuppressive effects. Quantitative mass spectrometry was used to determine concentrations of cinnamaldehyde in each of the three e-liquids, and cells were subsequently challenged with a range of cinnamaldehyde concentrations. Cinnamaldehyde alone recapitulated the impaired function observed with e-liquid exposures, and cinnamaldehyde-induced suppression of macrophage phagocytosis was reversed by addition of the small-molecule reducing agent 1,4-dithiothreitol. We conclude that cinnamaldehyde has the potential to impair respiratory immune cell function, illustrating an immediate need for further toxicological evaluation of chemical flavoring agents to inform regulation governing their use in e-liquid formulations.

Impaired mucociliary transport is a distinguishing sign of cystic fibrosis, but current methods of evaluation are invasive or expose young patients to ionizing radiation. Contrast-enhanced ultrasound imaging may provide a feasible alternative. We formulated a cationic microbubble ultrasound contrast agent, to optimize adhesion to the respiratory mucus layer when inhaled. Potential toxicity was evaluated in human bronchial epithelial cell (hBEC) cultures following a 24-hour exposure, compared to positive and negative control conditions. In vivo tolerability and pulmonary image enhancement feasibility were evaluated in mice, comparing oropharyngeal administration of contrast agent to saline control. When induced to flow across mucus plated on microscope slides, cationic microbubbles demonstrated greater affinity for target samples than standard microbubbles. Cationic microbubbles elicited no proinflammatory or cytotoxic response in hBECs, nor were any cross-links to the cilia observed. Unlike standard microbubbles, cationic microbubbles mixed into the mucus layer, without epithelial absorption, and were observed to move with the mucus layer by the action of mucociliary transport. When administered to mice, cationic microbubbles enhanced sonographic visualization of the trachea, and were well-tolerated with no adverse effects. This developmental work supports the safety and feasibility of a mucus-targeting contrast agent that may be useful for pulmonary ultrasound applications.

Introduction Ultrasound is a relatively inexpensive and non-ionizing imaging modality, but is under-utilized in large airway assessments due to poor image quality. No commercially available contrast agents currently exist for sonographic evaluation of the respiratory system, nor has a respiratory route of microbubble contrast agent (MCA) administration been previously described for the enhancement of airway imaging. Methods We conducted a feasibility study to assess proof-of-concept for an inhalable ultrasound MCA composed of lipid-encapsulated decaflourobutane gas. The MCA was nebulized and administered as an aerosol through the lumen of an ex vivo porcine trachea, with image enhancement evaluated by comparing images pre- and post-exposure. Additionally, primary human bronchial epithelial (hBE) cells from three donors were differentiated at an air-liquid interface and exposed apically to 25 μL of undiluted MCA or vehicle control to assess contrast agent-induced cytotoxicity and inflammation. Basolateral medium was collected 24-hours post-exposure and lactate dehydrogenase (LDH) and interleukin-8 (IL-8) concentrations were measured as biomarkers of cytotoxicity and inflammation, respectively. Results Contrast microbubbles remained intact following nebulization and enhanced sonographic delineation of ex vivo porcine tracheal walls, indicating adherence of the nebulized MCA to the lumenal mucosa. No significant cytotoxic or inflammatory effects were observed in cultured hBE cells following exposure to MCA. Conclusions We present proof-of-concept for an inhaled MCA for the enhancement of sonographic evaluations of the large airways. Pending further evaluations for safety and effectiveness, inhaled MCA may be feasible for clinical ultrasound applications, such as enhancing ultrasound-guided tracheal intubation, detecting airway bleeds, or monitoring large airway diseases in pediatric populations.