Although a few studies show that the use of electronic nicotine delivery systems (ENDS) may ameliorate objective and subjective outcomes in COPD smokers who switched to electronic cigarettes, it is unclear whether e-cigarette exposure alters lung pathological features and inflammatory response in COPD. Here, we employed βENaC-overexpressing mice bearing COPD-like pulmonary abnormality, and exposed them to ENDS. We found that ENDS exposure aggravated airspace enlargement and mucus production in βENaC-overexpressing mice, which was associated with increased MMP12 and Muc5ac, respectively. ENDS exposure to mice significantly increased the numbers of macrophages, particularly in M2 macrophages in bronchoalveolar lavage (BAL) fluid, despite ENDS did not induce M2 macrophage polarization in a cultured murine macrophage cell line (RAW264.7). There were no changes in neutrophils in BAL fluid by ENDS exposure. Multiple cytokine productions were increased including M-CSF, IL-1r α , IL-10, and TGF-β1, in BAL fluid from mice when exposed to ENDS. The Sirius Red staining and hydroxyproline assay showed ENDS-exposed mice displayed enhanced fibrotic phenotypes compared to control mice. In conclusion, ENDS exposure enhances airspace enlargement, mucus secretion, and fibrogenesis in COPD mice. This is associated with increased MMP12, inflammatory responses, and M2 macrophage phenotype. This study provides pre-clinical data implicating that electronic cigarette exposure is not safe in COPD patients who want to replace traditional cigarettes with ENDS.

Chronic lung diseases, such as idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and chronic obstructive pulmonary disease (COPD), are major leading causes of death worldwide and are generally associated with poor prognoses. The heterogeneous distribution of collagen, mainly type I collagen associated with excessive collagen deposition, plays a pivotal role in the progressive remodeling of the lung parenchyma to chronic exertional dyspnea for both IPF and COPD. To address the pressing need for noninvasive early diagnosis and drug treatment monitoring of pulmonary fibrosis, we report the development of human collagen-targeted protein MRI contrast agent (hProCA32.collagen) to specifically bind to collagen I overexpressed in multiple lung diseases. When compared to clinically approved Gd3+ contrast agents, hProCA32.collagen exhibits significantly better r1 and r2 relaxivity values, strong metal binding affinity and selectivity, and transmetalation resistance. Here, we report the robust detection of early and late-stage lung fibrosis with stage-dependent MRI signal-to-noise ratio (SNR) increase, with good sensitivity and specificity, using a progressive bleomycin-induced IPF mouse model. Spatial heterogeneous mapping of usual interstitial pneumonia (UIP) patterns with key features closely mimicking human IPF, including cystic clustering, honeycombing, and traction bronchiectasis, were noninvasively detected by multiple MR imaging techniques and verified by histological correlation. We further report the detection of fibrosis in the lung airway of an electronic cigarette-induced COPD mouse model, using hProCA32.collagen-enabled precision MRI (pMRI), and validated by histological analysis. The developed hProCA32.collagen is expected to have strong translational potential for the noninvasive detection and staging of lung diseases, and facilitating effective treatment to halt further chronic lung disease progression.

Introduction Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is currently listed as the 3 rd leading cause of death in the United States. Accumulating data shows the association between COPD occurrence and the usage of electronic nicotine delivery systems (ENDS) in patients. However, the underlying pathogenesis mechanisms of COPD have not been fully understood. Methods In the current study, bENaC-overexpressing mice (bENaC mice) were subjected to whole-body ENDS exposure. COPD related features including emphysema, mucus accumulation, inflammation and fibrosis are examined by tissue staining, FACS analysis, cytokine measurement. Cell death and ferroptosis of alveolar epithelial cells were further evaluated by multiple assays including staining, FACS analysis and lipidomics. Results ENDS-exposed mice displayed enhanced emphysema and mucus accumulation, suggesting that ENDS exposure promotes COPD features. ENDS exposure also increased immune cell number infiltration in bronchoalveolar lavage and levels of multiple COPD-related cytokines in the lungs, including CCL2, IL-4, IL-13, IL-10, M-CSF, and TNF-α. Moreover, we observed increased fibrosis in ENDS-exposed mice, as evidenced by elevated collagen deposition and a-SMA+ myofibroblast accumulation. By investigating possible mechanisms for how ENDS promoted COPD, we demonstrated that ENDS exposure induced cell death of alveolar epithelial cells, evidenced by TUNEL staining and Annexin V/PI FACS analysis. Furthermore, we identified that ENDS exposure caused lipid dysregulations, including TAGs (9 species) and phospholipids (34 species). As most of these lipid species are highly associated with ferroptosis, we confirmed ENDS also enhanced ferroptosis marker CD71 in both type I and type II alveolar epithelial cells. Discussion Overall, our data revealed that ENDS exposure exacerbates features of COPD in bENaC mice including emphysema, mucus accumulation, abnormal lung inflammation, and fibrosis, which involves the effect of COPD development by inducing ferroptosis in the lung.

Abstract Background Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is currently listed as the 3rd leading cause of death in the United States. COPD is marked by limitations in expiratory airflow, emphysematous destruction of the lungs, bronchitis, and chronic inflammation of the lung tissue. With the emerging prevalence in usage of electronic nicotine delivery systems (ENDS), the impact of ENDS on the development of lung diseases such as COPD requires further attention. Previous studies have shown that β-epithelial Na + channel (βENaC)- overexpressing mice have multiple emphysematous phenotypes, such as mucus accumulation and chronic inflammation. This study was aimed to elucidate the effects of e-cigarettes, a type of ENDS, on the development of COPD. Methods We hypothesized that acute repetitive usage of ENDS will exacerbate the features of COPD including mucus production, inflammation, and fibrosis, ultimately leading to lung injury. Twenty βENaC mice (10 mice per group) underwent whole body ENDS or sham air exposure for 2 hours daily over 10 days. Bronchoalveolar lavage (BAL) fluid and lung tissues were collected to assess for inflammation, fibrosis, mucus accumulation, and alveolar damage. Results and Discussion Our data showed that ENDS exposure significantly increased the alveolar size as compared with the control. We also found that level of inflammatory cytokines, such as CCL2, IL-13, and IL-10, were elevated in animals exposed to ENDS compared with control. Moreover, we observed ENDS exposure caused mucus accumulation, alveolar destruction, and fibrosis in the bronchioles of the βENaC mice. Additionally, ENDS exposure promoted apoptosis in pulmonary endothelial cell and epithelial cells. Conclusion Our data suggest that nicotine-containing e-cigarettes exacerbates features of COPD involving abnormal lung inflammation, mucus accumulation and apoptosis in βEnaC mice.