Cigarette Smoke Inhalation & the Acute Airway Response (J)

7/28/2019 Cigarette Smoke Inhalation & the Acute Airway Response (J)

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T h o r a x , 1 9 8 0 , 3 5 , 2 4 6 - 2 5 4

C i g a r e t t e s m o k e i n h a l a t i o n a n d t h e a c u t ea i r w a y responseTIM HIGENBOTTAM, COLIN FEYERABAND, AND T J H CLARKF r o m G u y ' s H o s p i t a l , L o n d o nABSTRACT T h e a c u t e a i r w a y response t o s m o k i n g v a r y i n g n u m b e r s ( o n e t o f o u r ) o f i d e n t i c a lc i g a r e t t e s i n r a p i d s u c c e s s i o n a n d s m o k i n g s i n g l e c i g a r e t t e s o f d i f f e r i n g t a r / n i c o t i n e y i e l d s wasa s s e s s e d r e p e a t e d l y i n 1 3 h e a l t h y s m o k e r s . T h e a i r w a y response was v a r i a b l e , i n d i c a t i n g a i r w a yn a r r o w i n g c o n s i s t e n t l y i n o n l y t h r e e s u b j e c t s . T h e r e a p p e a r e d no d i f f e r e n c e b e t w e e n f o r c e ds p i r o m e t r y a n d m e a s u r e m e n t o f a i r w a y r e s i s t a n c e i n d e t e c t i n g t h e a i r w a y response. No r e l a t i o n s h i pwas o b s e r v e d b e t w e e n t h e a i r w a y response a n d amount o f s m o k e i n h a l e d i n t o t h e l u n g s as m e a s u r e de i t h e r b y c h a n g e s i n v enous b l o o d n i c o t i n e or p e r c e n t a g e c a r b o x y h a e m o g l o b i n . When f i v e s m o k e r si n h a l e d s m o k e d i r e c t l y f r o m a c i g a r e t t e a c u t e a i r w a y n a r r o w i n g was c o n s i s t e n t l y o b s e r v e d . A n o r m a ls m o k i n g p a t t e r n c o n s i s t i n g o f an i n i t i a l d r a g o f s m o k e i n t o t h e m o u t h , f o l l o w e d a f t e r a pause b yi n h a l a t i o n o f s m o k e d i l u t e d w i t h a i r , d i d n o t c o n s i s t e n t l y cause a i r w a y n a r r o w i n g a l t h o u g h s i m i l a ra m o u n t s o f s m o k e as t h e d i r e c t d r a g were i n h a l e d as a s s e s s e d b y c h a n g e s i n v enous b l o o d n i c o t i n e .T h e manner o f s m o k e i n h a l a t i o n a f f e c t s t h e r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e d i f f e r e n t c o n s t i t u e n t s o fs m o k e r e a c h i n g t h e l u n g s a n d a l s o appears t o b e t h e m a i n d e t e r m i n a n t o f t h e a c u t e a i r w a y responset o s m o k i n g , w h i c h was u n r e l a t e d t o t h e n u m b e r o f c i g a r e t t e s s m o k e d or t h e t a r c o n t e n t o f t h e s m o k e .T h i s s u g g e s t s t h a t p a t t e r n s o f s m o k e i n h a l a t i o n may i n f l u e n c e t h e p a t h o g e n e s i s o f b r o n c h i a l d i s e a s ea s s o c i a t e d w i t h s m o k i n g .D e s p i t e a w e l l - a d v e r t i s e d a s s o c i a t i o n w i t h c a r -c i n o m a o f t h e l u n g a n d c h r o n i c o b s t r u c t i v eb r o n c h i t i s , c i g a r e t t e s m o k i n g r e m a i n s a r e m a r k -a b l y c o m m o n h a b i t , a n d t h i s i s e v e n mores u r p r i s i n g a s t h e h a b i t i n v o l v e s i n h a l a t i o n o fs m o k e i n t o t h e l u n g s . ' C i g a r e t t e s m o k e , w h e n i n -h a l e d , b e h a v e s i n a s i m i l a r way t o o t h e r i r r i t a n tg a s e s , v a p o u r s , a n d d u s t s , i n c a u s i n g a c u t ed y s p n o e a , c o u g h i n g , a n d a c u t e a i r w a y n a r r o w -i n g . 2 3 T h e s e r e s p o n s e s p r o b a b l y r e p r e s e n t v a g a l l ym e d i a t e d p r o t e c t i v e r e f l e x e s a s t h e y p r o m o t ep r o x i m a l d e p o s i t i o n o f s m o k e p a r t i c l e s a n d t h e i rs u b s e q u e n t e j e c t i o n f r o m t h e l u n g s b y c o u g h i n ga n d m u c o c i l i a r y c l e a r a n c e . 4 6 H o w e v e r , whenl a r g e n u m b e r s o f s m o k e r s h a v e b e e n s t u d i e d o n l ya m i n o r i t y a p p e a r t o d e v e l o p a n y o f t h e s e r e s -p o n s e s a n d o n l y a f e w d e v e l o p a c u t e a i r w a yn a r r o w i n g a f t e r s m o k i n g a s i n g l e c i g a r e t t e . 6 7T h e q u e s t i o n a s t o how t h e m a j o r i t y o f s m o k e r sa v o i d a n a c u t e a i r w a y r e s p o n s e t o i n h a l e dc i g a r e t t e s m o k e h a s n o t b e e n a n s w e r e d a n d i si m p o r t a n t a s i t s u g g e s t s t w o c o n f l i c t i n g t h e o r i e sA d d r e s s f o r r e p r i n t r e q u e s t s : Dr T H i g e n b o t t a m , G u y ' s H o s p i t a l ,S t Thomas S t r e e t , London S EI 9 R T .

c o n c e r n i n g t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e a c u t e r e -s p o n s e a n d t h e d e v e l o p m e n t o f c h r o n i c o b s t r u c t i v eb r o n c h i t i s i n a m i n o r i t y o f s m o k e r s . I t c o u l d b ea r g u e d t h a t t h e a b s e n c e o f a n a c u t e p r o t e c t i v ea i r w a y r e s p o n s e e n a b l e s a i r w a y s t o b e c h r o n i c a l l ye x p o s e d t o t h o s e c o n s t i t u e n t s o f c i g a r e t t e s m o k ew h i c h p r o m o t e c h r o n i c i n t r i n s i c a i r w a y d i s e a s e .A l t e r n a t i v e l y , t h o s e i n d i v i d u a l s m o k e r s e x h i b i t i n ga n a c u t e c i g a r e t t e - i n d u c e d r e s p o n s e may r e p r e s e n ta s u s c e p t i b l e p o p u l a t i o n who t h r o u g h r e p e a t e dp r o v o c a t i o n p r o c e e d t o d e v e l o p c h r o n i c o b s t r u c -t i v e b r o n c h i t i s . 8P r e v i o u s w o r k o n t h e s u b j e c t h a s s u f f e r e d f r o md i f f i c u l t i e s w i t h m e a s u r e m e n t o f t h e amount o fs m o k e i n h a l e d s o t h a t d i f f e r e n c e s i n i n h a l e d d o s emay a c c o u n t f o r t h e p r e v i o u s l y r e p o r t e d v a r i a t i o ni n a c u t e r e s p o n s e . 6 F u r t h e r m o r e , c i g a r e t t e s h a v eu n d e r g o n e a p r o g r e s s i v e r e d u c t i o n i n t a r a n dn i c o t i n e y i e l d o v e r t h e l a s t f e w y e a r s ' w h i c hm a k e s i n t e r p r e t a t i o n o f e a r l i e r r e s u l t s d i f f i c u l t a sm o s t m o d e r n c i g a r e t t e s y i e l d a p o t e n t i a l l y l e s si r r i t a n t s m o k e .We h a v e a t t e m p t e d t o i d e n t i f y t h o s e f a c t o r sw h i c h may b e c o n s i d e r e d i m p o r t a n t i n d e t e r m i n -i n g t h e a c u t e a i r w a y r e s p o n s e t o c i g a r e t t e s m o k e ,

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group.bmj.comon May 22, 2013 - Published bythorax.bmj.comDownloaded from
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C i g a r e t t e s m o k e i n h a l a t i o n a n d t h e a c u t e a i r w a y r e s p o n s ea n d b y u s i n g c h a n g e s i n v e n o u s b l o o d n i c o t i n e orc a r b o x y h a e m o g l o b i n we h a v e e s t i m a t e d t h eamount o f s m o k e i n h a l e d . By v a r y i n g t h e n u m b e ro f i d e n t i c a l c i g a r e t t e s smoked i n a r a p i d s u c c e s -s i o n a n d v a r y i n g t h e t a r / n i c o t i n e y i e l d o fc i g a r e t t e s we h a v e a t t e m p t e d t o i d e n t i f y w h e t h e rq u a n t i t y or t y p e o f c i g a r e t t e s m o k e ar e a l s oi m p o r t a n t d e t e r m i n a n t s . F i n a l l y , t h e e f f e c t s o fd i f f e r i n g p a t t e r n s o f s m o k e i n h a l a t i o n h a v e b e e nc o m p a r e d i n o r d e r t o d e c i d e w h e t h e r t h e way i nw h i c h s m o k e i s i n h a l e d , r a t h e r t h a n q u a n t i t y o rt y p e o f s m o k e , i n f l u e n c e s t h e a c u t e a i r w a y r e -sponse.

M e t h o d sF i v e s e p a r a t e e x p e r i m e n t s were u n d e r t a k e n .From a group o f 1 3 a s y m p t o m a t i c m a l e s m o k e r s ,i n d i v i d u a l s were s e l e c t e d t o t a k e p a r t i n e a c h( t a b l e 1 ) . E a c h s u b j e c t h a d a n o r m a l FEV1 a n dt h e i r mean age was 2 7 y e a r s .ONE TO FOUR CIGARETTESI n e x p e r i m e n t s 1 a n d 2 an a s s e s s m e n t was madeo f t h e a c u t e a i r w a y response t o s m o k i n g d i f f e r i n gn u m b e r s o f a l o w t o m i d d l e t a r f i l t e r e d c i g a r e t t e( t a b l e 2 ) i n r a p i d s u c c e s s i o n . E a c h o f f o u r s u b -j e c t s s m o k e d on f o u r s e p a r a t e d a y s one t o f o u rc i g a r e t t e s , t h e o r d e r b e i n g r a n d o m i s e d b y meanso f a 4X4 l a t i n square e x p e r i m e n t a l d e s i g n . 9A i r w a y response t o s m o k i n g i n e x p e r i m e n t 1 wasd e t e r m i n e d b y f o r c e d s p i r o m e t r y , u s i n g a d r ys p i r o m e t e r o n - l i n e t o a m i n i c o m p u t e r p r o v i d i n g1 2 v a r i a b l e s f r o m an a n a l y s i s o f m a x i m a l e x p i r -T a b l e 1 T h e separate e x p e r i m e n t s ( 1 - 5 ) s h o w i n gt h e t y p e o f s t u d y , t h e m e a s u r e m e n t u s e d , and w h i c hs u b j e c t s t o o k p a r t

V a r y i n g n u m b e r s V a r y i n g t y p e s V a r y i n g p a t t e r n so f c i g a r e t t e of c i g a r e t t e of s m o k i n gmeasurements measurements measurements

Method o f MEFVC A i r w a y MEFVC A i r w a y Airwaya s s e s s n e n t r e s i s t a n c e r e s i s t a n c e r e s i s t a n c eE x p e r i m e n tn u m b e r 1 2 3 4 5S u b j e c t

I +2 + +3 - +4 - +5 +6 + -7 +8 - - +9 + + +1 0 - + + +1 1 - - + + +1 2 - + + +1 3 - - - + +

a t o r y f l o w v o l u m e curves ( M E F V C ) ( t a b l e 3 ) .U s i n g t h e same e x p e r i m e n t a l d e s i g n i n s p i r a t o r ya i r w a y r e s i s t a n c e a n d a s s o c i a t e d l u n g v o l u m em e a s u r e d i n a c o n s t a n t v o l u m e w h o l e b o d yp l e t h y s m o g r a p h y we r e u s e d t o a s s e s s a c u t e a i r w a yn a r r o w i n g i n e x p e r i m e n t 2 .FIVE CIGARETTE TYPESE x p e r i m e n t s 3 a n d 4 e a c h i n v o l v e d f i v e s u b j e c t s( t a b l e 1 ) , s m o k i n g o n s e p a r a t e d a y s a s i n g l ec i g a r e t t e s e l e c t e d f r o m o n e o f f i v e t y p e s ( t a b l e 2 )o f d i f f e r i n g t a r / n i c o t i n e y i e l d s . On e o f t h e s ec i g a r e t t e s c o n t a i n e d 3 0 % o f a n o n - t o b a c c o s u b -s t i t u t e ( N S M ) a n d o n e was a f u l l s t r e n g t h un-f i l t e r e d c i g a r e t t e . T h e o r d e r b y w h i c h e a c h s u b j e c ts m o k e d e a c h t y p e o f c i g a r e t t e was r a n d o m i s e du s i n g a 5 x 5 l a t i n s q u a r e d e s i g n . A i r w a y r e s p o n s et o s m o k i n g was m e a s u r e d i n e x p e r i m e n t 3w i t h MEFVC a n a l y s i s a n d a i r w a y r e s i s t a n c e wasu s e d i n e x p e r i m e n t 4 .PATTERNS OF INHALATIONI n e x p e r i m e n t 5 f i v e s u b j e c t s s m o k e d a s i n g l ec i g a r e t t e o f l o w t o m i d d l e t a r c a t e g o r y ( t a b l e 2 )i n t h r e e d i f f e r e n t ways on s e p a r a t e d a y s ( t a b l e 1 ) :( 1 ) d r a w i n g s m o k e i n t o t h e i r m o u t h s b u t n o ti n h a l i n g ( m o u t h s m o k i n g ) ; ( 2 ) d r a w i n g s m o k ed i r e c t l y f r o m t h e c i g a r e t t e i n t o t h e i r l u n g s ; ( 3 )s m o k i n g n o r m a l l y . T h e a i r w a y response wa sd e t e r m i n e d w i t h a i r w a y r e s i s t a n c e measurementsa n d t h e o r d e r o f d i f f e r e n t s m o k i n g p a t t e r n s wasr a n d o m i s e d . B r e a t h i n g p a t t e r n s d u r i n g t h i s s t u d ywere a l s o m o n i t o r e d w i t h a s i n g l e p a i r o f m a g n e t o -m e t e r c o i l s across t h e a n t e r o p o s t e r i o r d i a m e t e rT a b l e 2 T h e d i f f e r e n t t y p e s o f c i g a r e t t eT a r c a t e g o r y P l a i n / f i l t e r e d N i c o t i n e y i e l d C a r b o n m o n o x i d ey i e l dLow t a r ( 3 0 % NSM) F i l t e r e d 0 7 0 m g / c i g 1 1 - 0 m g / c i gLow t a r F i l t e r e d 1 - 0 1 m g / c i g 1 2 - 1 m g / c i gLow t o m i d d l e t a r F i l t e r e d 1 - 3 6 m g / c i g 1 9 - 3 m g / c i gM i d d l e t o h i g h t a r P l a i n 1 - 8 6 m g / c i g 1 5 - 0 m g / c i gH i g h t a r P l a i n 3 - 3 9 m g / c i g 1 8 - 2 m g / c i gT a b l e 3 M e a s u r e m e n t s f r o m t h e m a x i m a le x p i r a t o r y f l o w v o l u m e c u r v e s

V i t a l c a p a c i t yF o r c e d e x p i r e d v o l u m e i n o n e s e c o n dF o r c e d e x p i r e d r a t i oF o r c e d e x p i r e d f l o w r a t eE x p i r a t o r y f l o w a t 7 5 % v i t a l c a p a c i t yE x p i r a t o r y f l o w a t 60 % v i t a l c a p a c i t yE x p i r a t o r y f l o w a t 5 0% v i t a l c a p a c i t yE x p i r a t o r y f l o w a t 2 5 % v i t a l c a p a c i t yMean f l o w b e t w e e n 7 0 - 2 5 % v i t a l c a p a c i t yMean f l o w b e t w e e n 6 0 - 2 0 % v i t a l c a p a c i t yTime t o no f l o wTime t o p e a k f l o w

2 4 7



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T i m H i g e n b o t t a m , C o l i n F e y e r a b a n d , a n d T J H C l a r ko f t h e r i b c a g e a t t h e l e v e l o f t h e x i p h i s t e r n u m , ' 0b e i n g c a l i b r a t e d f o r v o l u m e measurement b e f o r et h e e x p e r i m e n t b e g a n . By o b s e r v i n g t h e g l o w o ft h e b u r n i n g c o n e o f t h e c i g a r e t t e a s e a c h d r a go f s m o k e w a s t a k e n , t h e d u r a t i o n a n d t i m i n go f e a c h d r a g w a s r e c o r d e d i n r e l a t i o n t o t h eb r e a t h i n g p a t t e r n o n a m u l t i c h a n n e l r e c o r d e r .DOSE OF SMOKE INHALEDT h e amount o f s m o k e i n h a l e d w h i l e s m o k i n g ,w a s m e a s u r e d i n e x p e r i m e n t s 1 , 2 , a n d 5 b yd e t e r m i n i n g c h a n g e s i n l e v e l o f v e n o u s b l o o dn i c o t i n e f r o m s a m p l e s t a k e n b e f o r e a n d t w om i n u t e s a f t e r c o m p l e t i n g t h e l a s t c i g a r e t t e . ' 1 I ne x p e r i m e n t s 3 a n d 4 c h a n g e i n v e n o u s c a r b o x y -h a e m o g l o b i n l e v e l w a s d e t e r m i n e d s p e c t r o p h o t o -m e t r i c a l l y . ' 2 We c o n s i d e r e d t h a t t h i s w o u l dp r o v i d e a more r e l i a b l e a s s e s s m e n t o f s m o k ei n h a l a t i o n , a s c a r b o n m o n o x i d e d e l i v e r i e s on t h ed i f f e r e n t c i g a r e t t e s w e r e more c o m p a r a b l e t h a nt h e i r n i c o t i n e y i e l d s ( t a b l e 2 ) .STATISTICAL ANALYSISI n e a c h e x p e r i m e n t s i x m e a s u r e m e n t s ( e i t h e rMEFVC o r a i r w a y r e s i s t a n c e ) w e r e p e r f o r m e d i nr a p i d s u c c e s s i o n b y e v e r y s u b j e c t b e f o r e e a c hs m o k i n g s e s s i o n a n d r e p e a t e d w i t h i n t w o m i n u t e so f c o m p l e t i n g t h e t e s t c i g a r e t t e s . F a c t o r i a la n a l y s i s o f v a r i a n c e w a s u s e d t o a s s e s s t h e r e s u l t si n e a c h e x p e r i m e n t . By u s i n g t h e F r a t i o s , t h es i g n i f i c a n c e o f t h e m a i n f a c t o r s c o u l d b e d e t e r -m i n e d 9 - f o r e x a m p l e , v a r i a t i o n c a u s e d b y d i f -f e r e n t s u b j e c t s , o r d e r o f e a c h t r e a t m e n t , o r e f f e c t so f s m o k i n g w e r e c o m p a r e d w i t h t h e b a c k g r o u n do r r e s i d u a l v a r i a t i o n f o u n d f r o m t h e v a r i a t i o nw i t h i n t h e g r o u p s o f s i x r e p l i c a t e d m e a s u r e m e n t s .We w e r e a l s o a b l e i n a s i m i l a r way t o d e t e r m i n et h e s i g n i f i c a n c e o f i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e s e f a c -t o r s ; f o r e x a m p l e , t o d e c i d e i f a l l s u b j e c t s r e a c t e di n t h e s a m e way t o s m o k i n g , t h e v a r i a t i o n a t -t r i b u t a b l e t o t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e f a c t o r s ,s u b j e c t s , a n d t r e a t m e n t s b e i n g c o m p a r e d w i t h t h er e s i d u a l v a r i a t i o n t o p r o v i d e a n F r a t i o .I n a l l f i v e e x p e r i m e n t s e a c h v a r i a b l e u s e d t oa s s e s s t h e a i r w a y r e s p o n s e w a s a n a l y s e d s e p a r -a t e l y . T h i s a m o u n t e d t o 1 2 v a r i a b l e s d e r i v e d f r o mt h e MEFVC ( t a b l e 3 ) . I n t h e b o d y b o x s t u d i e s , i na d d i t i o n t o a i r w a y r e s i s t a n c e ( R a w ) a n d t h ea s s o c i a t e d l u n g v o l u m e ( V t g ) , t h e v a r i a b l e s a i r -way c o n d u c t a n c e a n d s p e c i f i c a i r w a y c o n d u c t a n c e( s G a w ) t o g e t h e r w i t h i t s l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a -t i o n w e r e a l s o c a l c u l a t e d . S p e c i f i c a i r w a y r e s i s t -a n c e ( s R a w ) a n d a c o v a r i a n c e c o r r e c t i o n o f a i r w a yr e s i s t a n c e w i t h l u n g v o l u m e a s t h e c o v a r i a t e w e r e

d e t e r m i n e d a s w e l l . ' 3 E a c h o f t h e s e s i x v a r i a b l e sw a s a l s o a n a l y s e d s e p a r a t e l y . A l t h o u g h many o ft h e s e v a r i a b l e s m e a s u r e d i n e i t h e r t h e MEFVCa n d b o d y b o x a r e n o t i n d e p e n d e n t o f o n e a n o t h e r ,t h e r i s k s o f a f a l s e l y p o s i t i v e r e s u l t a r e g r e a t l ye n h a n c e d b y t h e l a r g e number o f v a r i a b l e s b e i n ge x a m i n e d . F o r e x a m p l e , i n t h e MEFVC s t u d yw h e r e 1 2 v a r i a b l e s a r e u n d e r s t u d y t h e c h a n c e so f f i n d i n g s u c h a s i g n i f i c a n t r e s u l t b y a c c i d e n tmay w e l l e x c e e d 8 0 % . To a v o i d t h i s t y p e o f s t a t i s -t i c a l e r r o r a n d t o p r o v i d e t h e e q u i v a l e n t o f a pv a l u e o f 0 0 5 f o r e a c h v a r i a b l e , t h e o v e r a l l p v a l u ef o r e a c h e x p e r i m e n t when t e s t i n g t h e F r a t i o sf o r s i g n i f i c a n c e w a s 0 0 0 4 3 a n d 0 0 0 7 3 f o rt h e MEFVC s t u d i e s a n d b o d y b o x s t u d i e sr e s p e c t i v e l y . 1 4When d e t e r m i n i n g t h e s i z e o f c h a n g e i n e a c hv a r i a b l e a f t e r s m o k i n g , t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e nmean v a l u e s o f e a c h v a r i a b l e b e f o r e a n d a f t e rs m o k i n g w e r e c o n t r a s t e d w i t h a 95% c o n f i d e n c ei n t e r v a l d e r i v e d f r o m t h e s t a n d a r d e r r o r u s i n g am u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t o f D u n n . ' 4 S u c h am e t h o d w a s a p p l i e d o n c e more t o r e d u c e t h er i s k s o f s t a t i s t i c a l e r r o r a s many c o m p a r i s o n s o fm e a n s w e r ee x p e r i m e n t sc o m p a r e d .

T h e m e a nc h a n g e i nc o r r e c t e da i r w a yr e s i s t a n c e( k P a I s - i )T h e m e a nc h a n g e i nc o r r e c t e da i r w a yr e s i s t a n c ef o r e a c hs u b j e c t( k P a I s - i )

b e i n g p e r f o r m e d ; f o r e x a m p l e i n3 a n d 4 , 2 5 p a i r s o f m e a n s w e r e

12-8-4-

-4-

- 1 20 . 2 0 -0 . 1 6 -0 . 1 2 -0 . 0 8 -Q04 -0 . 0 0 -

- 0 . 0 4 -- 0 . 0 8 -- 0 . 0 2 -- 0 . 0 0 -

A 9 5 %c o n f i d e n c ei n t e r v a l


0 1 2 3 4N u m b e r o f c i g a r e t t e s s m o k e d

F i g 1 U p p e r g r a p h s h o w s t h e m e a n c h a n g e i n c o v a r i a n c ec o r r e c t e d a i r w a y r e s i s t a n c e f o r a l l s u b j e c t s . L o w e r g r a p hs h o w s t h e c h a n g e s i n e a c h i n d i v i d u a l r e l a t e d t o c i g a r e t t ec o n s u m p t i o n a n d t h e s y m b o l s r e p r e s e n t e a c h s u b j e c t :s u b j e c t I E, s u b j e c t 2 0 , s u b j e c t 3 * , s u b j e c t 4 E l .

2 4 8

* - p . d l : : b w p o - - ' . ' q C 7 2- - - - - - - - - - - - -I I I I I



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C i g a r e t t e s m o k e i n h a l a t i o n a n d t h e a c u t e a i r w a y r e s p o n s eR e s u l t sEXPERIMENTS 1 AND 2A i r w a y r e s i s t a n c eT h e r e w a s n o i n c r e a s e i n a i r w a y r e s i s t a n c e a f t e rs m o k i n g a n y o f t h e number o f c i g a r e t t e s whent h e mean r e s u l t s f o r a l l f o u r s u b j e c t s w e r e c o n -s i d e r e d ( f i g 1 ) . H o w e v e r , t h e s u b j e c t s b e h a v e dd i f f e r e n t l y a f t e r s m o k i n g , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e ns u b j e c t s a n d t r e a t m e n t s b e i n g s i g n i f i c a n t f o r t h ev a r i a b l e s Raw, l o g sGaw a n d sRaw ( p v a l u e s l e s st h a n 0 0 0 7 3 ) . V i e w i n g t h e c h a n g e s i n a i r w a y sr e s i s t a n c e a f t e r s m o k i n g a g a i n s t t h e 9 5 % c o n f i -d e n c e i n t e r v a l i t w i l l b e s e e n t h a t s u b j e c t 1s h o w e d a i r w a y n a r r o w i n g a f t e r o n e , t w o , t h r e ea n d f o u r c i g a r e t t e s ( f i g 1 ) , w h e r e a s n o c h a n g e i na i r w a y s r e s i s t a n c e o c c u r r e d w i t h t h e o t h e r s u b -j e c t s n o m a t t e r how many c i g a r e t t e s t h e y h a ds m o k e d .M a x i m a l e x p i r a t o r y f l o w v o l u m e c u r v e sWhen u s i n g t h e MEFVC a n a l y s i s t o d e t e c t a i r w a yn a r r o w i n g , n o o v e r a l l c h a n g e o c c u r r e d a f t e rs m o k i n g , t a k i n g a l l f o u r s u b j e c t s a s a g r o u p ( f i g 2f o r P E F R ) . I n d i v i d u a l s m o k e r s a g a i n s h o w e d d i f -f e r i n g r e s p o n s e s p a r t i c u l a r l y f o r PEFR a n d FEV1( p v a l u e s l e s s t h a n 0 0 0 4 3 ) w i t h o n l y s u b j e c t 6s h o w i n g e v i d e n c e o f r e d u c t i o n o f PEFR a n d t h e nT h e meanc h a n g e i np e a ke x p i r a t o r yf l o w( I s ' 1 )

C h a n g e i np e a ke x p i r a t o r yf l o w( I S - 1 )

2 -1 - ~ --- 9 5 ' oO - __ __ - - - _ _ _ _ _ _ _ D c o n f i d e n c e

- 1 - i n t e r v a l- 2 -

o n l y a f t e r t w o , t h r e e , a n d f o u r c i g a r e t t e s l h a db e e n s m o k e d i n s u c c e s s i o n ( f i g 2 ) .C h a n g e i n l e v e l o f n i c o t i n eA l t h o u g h t h e r e w a s a g e n e r a l t e n d e n c y f o r mores m o k e t o b e i n h a l e d w i t h i n c r e a s i n g n u m b e r s o fc i g a r e t t e s s m o k e d ( f i g 3 ) s u b j e c t s 1 a n d 6 d i d n o ta p p e a r t o i n h a l e more s m o k e t h a n t h e o t h e rs u b j e c t s , n o r w a s t h e r e a n y a p p a r e n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e c h a n g e i n v e n o u s b l o o d n i c o t i n e a n dc h a n g e i n Raw o r PEFR.EXPERIMENTS 3 AND 4A i r w a y r e s i s t a n c eO n l y f o r t h e h i g h t a r c i g a r e t t e s was t h e r e a meani n c r e a s e i n a i r w a y r e s i s t a n c e f o r a l l f i v e s u b j e c t s( f i g 4 ) . H o w e v e r , m o s t o f t h i s w a s c o n t r i b u t e d b yo n e i n d i v i d u a l , s u b j e c t 1 0 , a n d h e w i t h s u b j e c t 1 2w e r e t h e o n l y o n e s t o s h o w e v i d e n c e o f a c u t ea i r w a y n a r r o w i n g a f t e r s m o k i n g ( f i g 4 ) . F o r t h er e m a i n i n g s u b j e c t s t h e r e w a s no c h a n g e i n Rawa f t e r s m o k i n g . T h e r e was no r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e t a r y i e l d s o f t h e c i g a r e t t e s a n d t h e i n c r e a s ei n a i r w a y r e s i s t a n c e i n a n y o f t h e s u b j e c t s .M a x i m a l e x p i r a t o r y f l o w v o l u m e c u r v e sThe s u b j e c t s r e a c t e d d i f f e r e n t l y t o s m o k i n g . T h e r ew a s a t r e n d o f a g r e a t e r r e d u c t i o n i n PEFR w i t hh i g h e r t a r c i g a r e t t e s b u t f o r t h e v a r i a b l e s . PEFRa n d mean f l o w r a t e s b e t w e e n 7 5 - 2 5 % a n d 6 0 - 2 0 %C h a n g e i nv e n o u sb l o o dn i c o t i n e( n g / m l )

5 0-

40-

3 0 -

2 0 -

10-

0- 40

Number o f c i g a r e t t e s smokedF i g 2 U p p e r g r a p h s h o w s t h e mean c h a n g e i n PEFR f o ra l l f o u r s u b j e c t s a f t e r s m o k i n g e a c h n u m b e r o f c i g a r e t t e s .Lower g r a p h s h o w s i n d i v i d u a l r e d u c t i o n s i n PEFR:s u b j e c t 2 0, s u b j e c t 5 A , s u b j e c t 6 A, s u b j e c t 7 *.

I l1 2 3 4Number o f c i g a r e t t e s s m o k e d

F i g 3 C h a n g e s i n v e n o u s b l o o d n i c o t i n e r e l a t e d t oc i g a r e t t e c o n s u m p t i o n f o r b o t h t h e b o d y b o x a n dMEFVC s t u d y i n s e v e n s u b j e c t s . S u b j e c t I *, s u b j e c t2 0 ( o n e b o d y b o x a n d t w o MEFVC m e a s u r e m e n t s ) ,s u b j e c t 3 0 , s u b j e c t 4 E , s u b j e c t 5 A , s u b j e c t 6 A ,s u b j e c t 7 * .

2 4 9



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6-2 4 . . . . . . . . - - A 9 5 %0 _ c o n f i d e n c e- 2 - i n t e r v a l-4-

- 6


0 1 2 3 4N i c o t i n e y i e l d o f c i g a r e t t e s( m g / c i g a r e t t e )

F i g 4 Mean c h a n g e i n c o v a r i a n c e c o r r e c t e d a i r w a yr e s i s t a n c e f o r a l l s u b j e c t s i s s h o w n o n t h e u p p e r g r a p h ,a n d c h a n g e s f o r e a c h i n d i v i d u a l a g a i n s t n i c o t i n e y i e l d o fc i g a r e t t e s s m o k e d o n t h e l o w e r g r a p h . S u b j e c t 9 0 ,s u b j e c t 1 0J,s u b j e c t I I A , s u b j e c t 1 2 E , s u b j e c t 1 3 A .

T i m H i g e n b o t t a m , C o l i n F e y e r a b a n d , a n d T J H C l a r ko f v i t a l c a p a c i t y t h e r e w a s s i g n i f i c a n t i n t e r a c t i o nb e t w e e n t r e a t m e n t s a n d s u b j e c t s ( p v a l u e l e s st h a n 0 0 0 4 3 ) . T h i s c a n b e s e e n i n f i g 5 w h e r es u b j e c t 1 1 s h o w e d a r ed u c t i o n i n PEFR o n o n eo c c a s i o n , s u b j e c t s 8 a n d 1 2 o n t w o o c c a s i o n s , a n ds u b j e c t 1 0 r e a c t e d t o a l l f i v e c i g a r e t t e s . T a r y i e l do f t h e c i g a r e t t e s d i d n o t a p p e a r t o b e r e l a t e dt o t h e d e g r e e o f r e d u c t i o n i n PEFR e x c e p t i ns u b j e c t 1 0 .C h a n g e i n l e v e l o f c a r b o x y h a e m o g l o b i nT h e s u b j e c t s who h a d s h o w n a c u t e a i r w a y n a r -r o w i n g d i d n o t a p p e a r t o h a v e i n h a l e d morec i g a r e t t e s m o k e a s m e a s u r e d b y c h a n g e i n c a r -b o x y h a e m o g l o b i n t h a n t h e n o n - r e s p o n d e r s n o rw a s t h e r e a n y r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e g r e e o fa i r w a y n a r r o w i n g a n d amount o f s m o k e i n h a l e d .EXPERIMENT 5P a t t e r n s o f s m o k e i n h a l a t i o nT h e " n o r m a l " p a t t e r n o f s m o k i n g i n e a c h o f t h ef i v e s u b j e c t s a p p e a r e d t o c o n s i s t o f t w o s t a g e s .T h e f i r s t s t a g e w a s a " m o u t h " p h a s e when s m o k e

* m D u r a t i o n o fe a c h d r a gI n s p i r a t o r ym o v e m e n to f c h e s t w a l l

0. 4 - A 95%0 . 2 c o n f i d e n c e0. 0 Z- i n t e r v a l- 0 . 2-0.4.----

-0 .6-0 .8

0 . 8 -0 . 6 -0 . 4 -0 . 2 -0.0-- 0 . 2 -- 0 . 4 -- 0 . 6 -- 0 . 8 --1.0-. 1 . 2 -

- . - 7 -- - - - - - - A 9 5 %c o n f i d e n c ei n t e r v a l

I I I0 1 2 3 4N i c o t i n e y i e l d o f c i g a r e t t e s( m g / c i g a r e t t e )

F i g 5 Mean c h a n g e i n PEFR i n a l l s u b j e c t s i s s h o w no n t h e upper g r a p h , a n d i n d i v i d u a l r e s u l t s o n t h e l o w e r .S u b j e c t 8 E l , s u b j e c t 90, s u b j e c t 1 0 0, s u b j e c t 1 1 A ,s u b j e c t 1 2 E.

D u r a t i o n o fe a c h d r a g

I n s p i r a t o r ymovemento f c h e s t w a l l

m _ D u r a t i o n o fe a c h d r a gI n s p i r a t o r ymovemento f c h e s t w a l l

r r 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I I I IT i m e i n s e c o n d s

F i g 6 E x a m p l e s o f n o r m a l s m o k i n g , m o u t h s m o k i n g ,a n d a d i r e c t i n h a l a t i o n s h o w n r e s p e c t i v e l y f r o m t o p t ob o t t o m o f t h e i l l u s t r a t i o n . I n e a c h e x a m p l e t h e c o n t i n u o u sl i n e r e p r e s e n t s t h e a n t e r i o r m o v e m e n t o f t h e c h e s t w a l l ,a n u p w a r d d e f l e c t i o n r e p r e s e n t s i n s p i r a t i o n . T h e t i m i n ga n d d u r a t i o n o f e a c h " d r a g " f r o m t h e c i g a r e t t e s a r es h o w n b y t h e b l o c k e d l i n e s .

2 5 0T h e m e a nc h a n g e i nc o r r e c t e da i r w a yr e s i s t a n c e( k P a I s - 1 )C h a n g e i nc o r r e c t e da i r w a yr e s i s t a n c e( k P a I s - 1 )

T h e m e a nc h a n g e i np e a ke x p i r a t o r yf l o w( I s ' 1 )

C h a n g e i np e a ke x p i r a t o r yf l o w( I s - 1 )



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C i g a r e t t e s m o k e i n h a l a t i o n a n d t h e a c u t e a i r w a y r e s p o n s eT a b l e 4 Mean v o l u m e s ( w i t h s t a n d a r d e r r o r s ) o f i n h a l e d s m o k e o b t a i n e d f r o m t h e measurement o f t h ea n t e r i o r c h e s t w a l l f o r t h e d i f f e r i n g p a t t e r n s o f s m o k i n g . T h e c h a n g e i n venous b l o o d n i c o t i n e i s a l s or e c o r d e d t o g e t h e r w i t h n u m b e r o f d r a g s o f s m o k eS u b j e c t P a t t e r n o f s m o k i n g

M o u t h N o r m a l D i r e c t i n h a l a t i o nMean Number C h a n g e i n Mean Number C h a n g e i n Mean Number C h a n g e i ni n h a l e d v o l u m e o f p u f f s n i c o t i n e i n h a l e d v o l u m e o f p u f f s n i c o t i n e i n h a l e d v o l u m e o f p u f f s n i c o t i n em l (SE) n g / m l m l ( S E ) n g / m l m l ( SE) n g / m l9 0 1 1 - 1 - 5 9 6 ( 4 2 ) 1 3 9 . 3 5 4 ( 3 5 ) 7 1 5 - 21 0 0 5 - 0 - 1 3 4 ( 1 8 ) 1 1 1 3 - 5 0 5 0 - 61 1 0 1 9 - 0 - 3 1 5 1 ( 3 7 ) 1 9 2 0 - 5 5 ( 1 ) 6 1 - 8 91 2 0 7 - 1 - 0 1 1 6 ( 3 2 ) 8 1 9 . 0 1 3 4 ( 1 7 ) 4 1 5 41 3 0 1 4 - 1 - 1 1 5 2 ( 1 6 ) 2 0 2 0 - 5 1 6 0 ( 2 8 ) 6 1 2 - 0w a s d r a w n i n t o t h e m o u t h w i t h o u t a n y e v i d e n c eo f i n h a l a t i o n , t h e a n t e r i o r c h e s t w a l l r e m a i n i n gs t a t i o n a r y . T h e s e c o n d s t a g e b e g a n w i t h a p a u s eo f v a r i a b l e d u r a t i o n o f t e n a s s o c i a t e d w i t h r e m o v -i n g t h e c i g a r e t t e f r o m t h e m o u t h w h i c h w a sf o l l o w e d b y i n h a l a t i o n o f s m o k e ( f i g 6 ) . B y c o n -t r a s t o n b e i n g d i r e c t e d o n l y t o m o u t h s m o k e ,a l t h o u g h a d r a g o f s m o k e was t a k e n f r o m t h ec i g a r e t t e , n o i n h a l a t i o n o f s m o k e t o o k p l a c e( f i g 6 ) . O n l y t h r e e s u b j e c t s w e r e a b l e t o i n h a l es m o k e d i r e c t l y f r o m t h e c i g a r e t t e i n t o t h e l u n g st o p r o v i d e a n a s s e s s m e n t o f d i r e c t s m o k e i n h a l a -t i o n ( f i g 6 ) . S u b j e c t s 1 0 a n d 1 1 f a i l e d t o d o s ob e c a u s e o f i n t o l e r a n c e o f t h e s m o k e , a l t h o u g hb o t h w e r e a b l e t o p e r f o r m " m o u t h " a n d n o r m a ls m o k i n g p a t t e r n s .V o l u m e s o f " s m o k e " i n h a l e d a n di n n i c o t i n eh e r e w a s l i t t l e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e v o l u m ef s m o k e i n h a l e d , n u m b e r s o f p u f f s o f s m o k e a n di n v e n o u s b l o o d n i c o t i n e ( t a b l e 4 ) . B o t hi n h a l a t i o n o f s m o k e a n d n o r m a l s m o k i n ge d t o c o m p a r a b l e v o l u m e s o f s m o k e p l u s a i rd r a w n i n t o t h e l u n g s , s u g g e s t i n g t h a t d i l u -o f t h e s m o k e w i t h a i r i n b o t h p a t t e r n s o fw a s c o m p a r a b l e . W h e r e n o s m o k e w a sC h a n g e i nc o r r e c t e da i r w a yr e s i s t a n c e( k P a l ' s )

0 . 1 5

0 . 1 0 -

0 . 0 5 -

i n h a l e d ( m o u t h s m o k i n g a n d s u b j e c t 1 0 ) , n o r e a lc h a n g e i n n i c o t i n e l e v e l w a s o b s e r v e d ( t a b l e 4 ) .A i r w a y r e s i s t a n c eS u b j e c t 1 0 o n c e a g a i n s h o w e d a n i n c r e a s e i na i r w a y r e s i s t a n c e a f t e r n o r m a l s m o k i n g a n d wast h e o n l y s u b j e c t t o d o s o i n t h i s e x p e r i m e n t . I ns u b j e c t s 9 , 1 2 , a n d 1 3 who f a i l e d t o r e s p o n d t on o r m a l s m o k i n g p a t t e r n s , a d i r e c t i n h a l a t i o n o fs m o k e f r o m t h e c i g a r e t t e c a u s e d m a r k e d i n c r e a s ei n a i r w a y r e s i s t a n c e ( f i g 7 ) . T h e i n c r e a s e i n a i r -w a y r e s i s t a n c e a p p e a r e d r e l a t e d t o t h e v o l u m e o fs m o k e p l u s a i r t h a t w a s i n h a l e d b u t w a s n o tr e l a t e d t o c h a n g e s i n v e n o u s b l o o d n i c o t i n e l e v e l s .D i s c u s s i o nW h i l e a l l o w i n g o u r s u b j e c t s t o s m o k e i n t h e i ru s u a l w a y , we s e t o u t t o v a r y t h e a m o u n t o fs m o k e e a c h c o u l d p o t e n t i a l l y i n h a l e b y a s k i n gt h e m t o s m o k e i n r a p i d s u c c e s s i o n i n c r e a s i n gn u m b e r s o f i d e n t i c a l c i g a r e t t e s . W e a l s o v a r i e dt h e t a r / n i c o t i n e y i e l d o f s m o k e i n h a l e d b y a s k i n gt h e m t o s m o k e d i f f e r e n t t y p e s o f c i g a r e t t e s . T h ea c u t e c h a n g e s i n a i r w a y f u n c t i o n , c a u s e d b ys m o k i n g , d e t e r m i n e d b y e i t h e r MEFVC a n a l y s i so r a i r w a y r e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t s w e r e s m a l l

A 9 5 ' ,c o n f i d e n c ei n t e r v a l

F i g 7 C h a n i g e i n c o v a r i a n c e c o r r e c t e da i r w a y s r e s i s t a n c e a f t e r e a c h s m o k i n gp a t t e r n w h e r e e a c h s u b j e c t i s r e p r e s e n t e db y a s e p a r a t e c o l u m n ( s u b j e c t 9 , 0s u b j e c t 1 0 1 , s u b j e c t 1 1 1 , s u b j e c t 1 20 , s u b j e c t 1 3 U ) . T h e 9 5 % c o n f i d e n c ei n t e r v a l f o r a n y c h a n g e c o n s i d e r e ds i g n . i f c a n t l y d i f f e r e n t f r o m z e r o i s s h o w n .M o u t h N o r m a l D i r e c ts m o k i n g s m o k i n g i n h a l a t i o n

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T i m H i g e n b o t t a m , C o l i n F e y e r a b a n d , a n d T J H C l a r ka n d a p p e a r e d o n l y t o o c c u r i n c e r t a i n i n d i v i d u a l s .I n d e e d , o n l y t h r e e s u b j e c t s ( 1 , 6 , a n d 1 0 ) c o n -s i s t e n t l y s h o w e d r e s p o n s e s t o s m o k i n g . No c l e a rr e l a t i o n s h i p c o u l d b e f o u n d b e t w e e n t h e a m o u n to r t y p e o f s m o k e i n h a l e d a n d s i z e o f t h e o c -c a s i o n a l a c u t e a i r w a y r e s p o n s e . F u r t h e r m o r e , t h ea m o u n t o f s m o k e i n h a l e d l a r g e l y a p p e a r e di n d e p e n d e n t o f t h e n u m b e r a n d t y p e o f c i g a r e t t e ss m o k e d . T h e s e o b s e r v a t i o n s s u g g e s t t h a t s m o k e r sv a r y i n t h e way t h e y i n h a l e c i g a r e t t e s m o k e a n dt h a t f a c t o r s s u c h a s n u m b e r a n d t y p e o f c i g a r e t t eh a v e o n l y a m i n o r i n f l u e n c e u p o n t h e i r u s u a ls m o k i n g r e s p o n s e . D e s p i t e t h i s , c e r t a i n s u b j e c t sa p p e a r e d r e g u l a r l y t o s h o w e v i d e n c e o f a c u t en a r r o w i n g a f t e r s m o k i n g w h i c h s u g g e s t s a n i n -d i v i d u a l s u s c e p t i b i l i t y .T h e q u e s t i o n a s t o how m o s t h a b i t u a l s m o k e r sa v o i d t h e i r r i t a n t e f f e c t s o f c i g a r e t t e s m o k e mayb e a n s w e r e d b y o u r c o m p a r i s o n o f t h e e f f e c t s o fd i f f e r e n t p a t t e r n s o f s m o k i n g u p o n t h e a c u t e a i r -way r e s p o n s e . I t w o u l d a p p e a r t h a t when a d i r e c ti n h a l a t i o n o f s m o k e f r o m t h e c i g a r e t t e i n t o t h ec h e s t i s a c h i e v e d , t h e r e i s c o n s i s t e n t e v i d e n c e o fa i r w a y n a r r o w i n g . A r e s p o n s e w a s n o t c o n -s i s t e n t l y s e e n i n e i t h e r mouth o r n o r m a l s m o k i n ga n d d i d n o t a p p e a r t o b e r e l a t e d t o t h e v o l u m e o fs m o k e i n h a l e d when n o r m a l a n d d i r e c t s m o k i n gw e r e c o n t r a s t e d . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e u s u a l p a t -t e r n o f s m o k i n g , w h i c h we f o u n d t o b e s i m i l a rt o t h a t o b s e r v e d b y Rawbone e t a l l a a n d c o n s i s t e do f a n i n i t i a l " d r a g " o f s m o k e i n t o t h e m o u t hf o l l o w e d a f t e r a v a r i a b l e p a u s e b y a s u b s e q u e n ti n h a l a t i o n o f s m o k e i n t o t h e l u n g s , c o u l d m i n i -m i s e t h e i r r i t a n t q u a l i t i e s o f t h e t o b a c c o s m o k e .T h e way o f i n h a l i n g s m o k e , i n p a r t i c u l a r t h e i n -t e r v a l ' t h a t s m o k e r e m a i n s i n t h e m o u t h , h a sa n i m p o r t a n t r o l e i n d e t e r m i n i n g t h e r e l a t i v ec o n c e n t r a t i o n s o f t h e c o n s t i t u e n t s r e a c h i n g t h el u n g s . ' 6 B u c c a l a b s o r p t i o n o f w a t e r s o l u b l e c o m -p o u n d s t o g e t h e r w i t h p r e c i p i t a t i o n o f p a r t i c u l a t em a t t e r ( t a r ) ' 7 l e a d s t o a r e l a t i v e i n c r e a s e o fv o l a t i l e i n s o l u b l e c o m p o u n d s i n t h e s m o k e e n t e r -i n g t h e l u n g s d u r i n g n o r m a l s m o k i n g . D i r e c ti n h a l a t i o n o f c i g a r e t t e s m o k e p r e v e n t s t h e s ea d j u s t m e n t s o c c u r r i n g , e n a b l i n g t h e f u l l c o n c e n -t r a t i o n o f s o l u b l e g a s e s s u c h a s s u l p h u r d i o x i d ea n d a c r o l e i n t o g e t h e r w i t h t a r t o r e a c h t h ea i r w a y s a n d s o p e r h a p s s t i m u l a t e l a r y n g e a l a n db r o n c h i a l i r r i t a n t r e c e p t o r s i n v o l v e d i n t h e a c u t ea i r w a y r e s p o n s e . 1 8 I t i s n o t e w o r t h y i n t h i s r e s p e c tt h a t s u b j e c t 1 0 who r e p e a t e d l y r e s p o n d e d t on o r m a l s m o k i n g w a s u n a b l e t o i n h a l e s m o k ed i r e c t l y a n d f a i l e d t o d i r e c t l y d r a w a n y s m o k ei n t o h i s c h e s t , w h e r e a s s m o k i n g n o r m a l l y h e w a sa b l e t o i n h a l e s m o k e a n d t o l e r a t e t h e a i r w a y r e -s p o n s e t o i t .

The f i n d i n g s t h a t s m o k e r s d i f f e r i n t h e i r r e -s p o n s e t o s m o k i n g c i g a r e t t e s a n d t h a t i n o n l y ap r o p o r t i o n w a s a c u t e a i r w a y n a r r o w i n g o b s e r v e dd e s p i t e v a r y i n g t h e number a n d t y p e o f c i g a r e t t e ss m o k e d , w o u l d a p p e a r a t f i r s t s i g h t d i s c o r d a n tw i t h r e c e n t w o r k s h o w i n g r e s p o n s e s i n m o s t s u b -j e c t s . ' 9 - 2 1 H o w e v e r , t h e y a r e c o n s i s t e n t w i t hr e s u l t s o f o t h e r s t u d i e s w h e r e much l a r g e r num-b e r s o f s m o k e r s h a v e b e e n s t u d i e d a n d w h e r ea s i m i l a r d e g r e e o f c a r e h a s b e e n t a k e n t o a s s e s st h e c a u s e s , o t h e r t h a n s m o k i n g , o f v a r i a t i o n i nt h e m e a s u r e m e n t s o f a i r w a y f u n c t i o n . 6 Ther a n d o m i s e d a n d b a l a n c e d n a t u r e o f t h e d e s i g n o fo u r s t u d i e s , i n w h i c h e a c h s u b j e c t u n d e r w e n t i nr a n d o m o r d e r e a c h t y p e o f t r e a t m e n t ( n u m b e ro f c i g a r e t t e s s m o k e d , t y p e o f c i g a r e t t e s m o k e d ,a n d t y p e o f s m o k i n g p a t t e r n ) e n a b l e d t h e s i g n i f i c -a n c e o f i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h o s e m a i n f a c t o r si n f l u e n c i n g v a r i a t i o n o f m e a s u r e m e n t s t o b et e s t e d u s i n g a n a l y s i s o f v a r i a n c e . The r e s u l t ss h o w e d t h a t some s m o k e r s c o n s i s t e n t l y b e h a v e dd i f f e r e n t l y f r o m t h e g r o u p f i n d i n g s .I n t e r n a l c o n s i s t e n c y o f t h e r e s u l t s w a s a l s oa c h i e v e d i n t h a t t h e s a m e i n t e r s u b j e c t v a r i a t i o n si n r e s p o n s e w a s s e e n w i t h t w o d i f f e r e n t m e a s u r e -m e n t s o f a i r w a y f u n c t i o n , MEFVC a n d a i r w a y sr e s i s t a n c e . F u r t h e r m o r e , t h e o b j e c t i v i t y o f t h e s em e a s u r e m e n t s w a s m a i n t a i n e d a s t h e o b s e r v e r sw e r e u n a w a r e o f t h e t y p e o f t r e a t m e n t e a c h s u b -j e c t u n d e r w e n t . T h e a s s e s s m e n t o f " d o s e " o fs m o k e i n h a l e d i n t o t h e l u n g s b y f o l l o w i n g c h a n g e si n v e n o u s b l o o d n i c o t i n e l e v e l i n t h e s t u d i e s u s i n gi d e n t i c a l c i g a r e t t e s i s b a se d o n p r e v i o u s w o r k b yR u s s e l l 2 2 a n d H a i n e s . 2 3 Our r e s u l t s c o n f i r m r e p o r t st h a t m o u t h s m o k i n g - t h a t i s s i m p l y i n d r a w i n gs m o k e i n t o t h e mouth w i t h o u t a s u b s e q u e n t i n -h a l a t i o n - f a i l s t o a l t e r b l o o d n i c o t i n e l e v e l s . T h i so c c u r s b e c a u s e a c i d s m o k e f r o m f l u e - c u r e dt o b a c c o i n E n g l i s h c i g a r e t t e s p r e v e n t s b u c c a la b s o r p t i o n o f n i c o t i n e . I t w a s n o t p o s s i b l e t o u s et h e same a s s e s s m e n t when t e s t i n g t h e s m o k i n g o fd i f f e r e n t t y p e s o f c i g a r e t t e a s t h e y v a r i e d i n t h e i rn i c o t i n e y i e l d . F o r t h i s r e a s o n , c h a n g e s i n v e n o u sc a r b o x y h a e m o g l o b i n were u s e d t o a s s e s s t h eamount o f s m o k e i n h a l e d , a s c a r b o n m o n o x i d e i sa b s o r b e d p r e d o m i n a n t l y b y t h e l u n g s a n d n o tb u c c a l m u c o s a . 1 6 T h i s was b a s e d on t h e a s s u m p -t i o n t h a t c o d e l i v e r i e s o f d i f f e r e n t c i g a r e t t e s w e r er o u g h l y c o m p a r a b l e , a s co d e l i v e r y d e p e n d s ona i r p e r m e a b i l i t y o f t h e p a p e r w h i c h a f f e c t s b o t hs m o k e d i l u t i o n a n d t o b a c c o b u r n i n g . The f a i l u r et o s h o w a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e amount o fs m o k e i n h a l e d a n d a i r w a y r e s p o n s e s u p p o r t s o u rn o t i o n t h a t c o m p o s i t i o n o f t h e i n h a l e d s m o k e i st h e most i m p o r t a n t d e t e r m i n a n t o f a i r w a yr e s p o n s e r a t h e r t h a n t h e amount o r t y p e o f s m o k e

2 5 2



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s m o k e i n h a l a t i o n a n d t h e a c u t e a i r w a y r e s p o n s eT h e s i m i l a r i t y o f t h e v o l u m e s o f s m o k ed u r i n g n o r m a l a n d d i r e c t s m o k e i n h a l a -w h i c h p r o d u c e d a m a r k e d l y d i f f e r e n ta l s o p r o v i d e s f u r t h e r s u p p o r t f o r t h i s

We t h e r e f o r e c o n c l u d e t h a t t h e r e i s a l a r g ev a r i a t i o n i n b r o n c h i a l r e s p o n s e t oo k i n g w h i c h c a n n o t b e a c c o u n t e d f o r s o l e l y b yh e a m o u n t o r t y p e o f s m o k e i n h a l e d i n t o t h eM o s t h a b i t u a l s m o k e r s a p p e a r a b l e t o a d o p t ao f s m o k i n g w h i c h a v o i d s o r m i n i m i s e s t h en a t u r e o f c i g a r e t t e s m o k e . D e s p i t e s u c hc e r t a i n i n d i v i d u a l s s t i l l d e v e l o p a na i r w a y r e s p o n s e a f t e r s m o k i n g w h i c h maya n e n h a n c e d b r o n c h i a l r e a c t i v i t y t o c i g a r -s m o k e , a n d t h e y may p u r s u e a m o r e r a p i de - r e l a t e d d e c l i n e i n F E V 1 .T h e p a t t e r n o f s m o k e i n h a l a t i o n i s i m p o r t a n tn d e t e r m i n i n g t h e r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n o f t h eo f c i g a r e t t e s m o k e w h i c h r e a c h t h eT h i s i s t h e f i r s t d e m o n s t r a t i o n t h a t t h e p a t -o f s m o k e i n h a l a t i o n i s a l s o i m p o r t a n t i n t h er e s p o n s e t o s m o k i n g a n d c e r t a i n l yi m p o r t a n t t h a n t h e n u m b e r o f c i g a r e t t e sm o k e d , o r t h e t a r c o n t e n t o f t h e s m o k e . T h i sb s e r v a t i o n r a i s e s t h e p o s s i b i l i t y t h a t t h e p a t t e r nf s m o k i n g may a l s o p l a y a m a j o r c o n t r i b u t o r yr o l e i n t h e d e v e l o p m e n t o f b r o n c h i a l d i s e a s e

a s s o c i a t e d w i t h s m o k i n g . F u t u r e s t u d i e s o f t h ep a t h o g e n e s i s o f s m o k e - r e l a t e d d i s e a s e s s h o u l dp e r h a p s i n c l u d e s o m e a s s e s s m e n t o f t h e m a n n e ro f s m o k e i n h a l a t i o n .W e w i s h t o t h a n k t h e R e s e a r c h D e p a r t m e n t o ft h e I m p e r i a l G r o u p B r i s t o l f o r t h e i r s u p p o r t a n da s s i s t a n c e w i t h t h i s s t u d y .R e f e r e n c e s

1 R u s s e l l MAH. Low t a r medium n i c o t i n e c i g a r -e t t e s : a new a p p r o a c h t o s a f e r s m o k i n g . B r Me dJ 1 9 7 6 ; 1 : 1 4 3 0 - 3 .2 N a d e l J A , C o m r o e J H . A c u t e e f f e c t s o f i n h a l a -t i o n o f c i g a r e t t e s m o k e o n a i r w a y c o n d u c t a n c e .J A p p l P h y s i o l 1 9 6 1 ; 1 6 : 7 1 3 - 6 .3 W i d d i c o m b e J G . P h y s i o l o g i c a l r e s p o n s e s t o i n -h a l a t i o n o f c i g a r e t t e s m o k e a n d o t h e r i r r i t a n tg a s e s a n d a e r o s o l s . B o l l e t t i n o d e l l a S o c i e t aI t a l i a n a d i B i o l o g i a S p e r i m e n t a l e ( N a p l e s ) 1 9 7 3 ;4 9 : 1 9 - 4 0 .4 J e f f r e y P , W i d d i c o m b e J G . I n : A h a r o n s o n E F ,B e n - D a v i s A , K l i n g b e r g MA ( e d s . ) . A i r p o l l u t i o na n d t h e l u n g . New Y o r k : W i l e y , 1 9 7 6 ; 2 5 3 - 6 7 .5 S t e r l i n g GM. M e c h a n i s m s o f b r o n c h o c o n s t r i c t i o nc a u s e d b y c i g a r e t t e s m o k i n g . Br Med J 1 9 6 7 ;3 : 2 7 5 - 7 .6 G u y a t t AR, B e r r y G , A l p e r s J H , B r a m l e y A G ,

F l e t c h e r CM. R e l a t i o n s h i p o f a i r w a y c o n d u c t -a n c e a n d i t s i m m e d i a t e c h a n g e o n s m o k i n g t os m o k i n g h a b i t s a n d s y m p t o m s o f c h r o n i c b r o n -c h i t i s . Rev R e s p i r D i s 1 9 7 0 ; 1 0 1 : 4 4 - 5 4 .7 M c D e r m o t t M, C o l l i n s MM. A c u t e e f f e c t s o fs m o k i n g o n l u n g a i r w a y s r e s i s t a n c e i n n o r m a la n d b r o n c h i t i c s u b j e c t s . T h o r a x 1 9 6 5 ; 2 0 : 5 6 2 - 9 .8 Van d e r L e n d e R . E p i d e m i o l o g y o f c h r o n i c n o n -s p e c i f i c l u n g d i s e a s e ( c h r o n i c b r o n c h i t i s ) . Ac r i t i c a l a n a l y s i s o f t h r e e f i e l d s u r v e y s o f CNSLDc a r r i e d o u t i n t h e N e t h e r l a n d s . A s s e n : R o y a lVan G o r c u m , 1 9 6 9 .

9 A r m i t a g e P . S t a t i s t i c a l m e t h o d s i n m e d i c a lr e s e a r c h . O x f o r d : B l a c k w e l l , 1 9 7 1 ; 2 3 9 .1 0 Mead J . P e t e r s o n N , G r i m b y G , Mead J . P u l -m o n a r y v e n t i l a t i o n m e a s u r e d f r o m b o d y s u r f a c em o v e m e n t s . S c i e n c e 1 9 6 7 ; 1 5 6 : 1 3 8 3 - 4 .1 1 F e y e r a b a n d C , R u s s e l l MAH. I m p r o v e d g a s -c h r o m a t o g r a p h i c m e t h o d a n d m i c o - e x t r a c t i o nt e c h n i q u e f o r t h e m e a s u r e m e n t o f n i c o t i n e i nb i o l o g i c a l f l u i d s . J P h a r m P h a r m a c o l 1 9 7 9 ; 3 1 :7 3 - 6 .1 2 R u s s e l l MAH, W i l s o n C , P a t e l UA, C o l e P V ,F e y e r a b a n d C . C o m p a r i s o n o f e f f e c t o n t o b a c c oc o n s u m p t i o n a n d c a r b o n m o n o x i d e a b s o r p t i o n o fc h a n g i n g t o h i g h a n d l o w n i c o t i n e c i g a r e t t e s . B rMed J 1 9 7 3 ; 4 : 5 1 2 - 6 .1 3 H i g e n b o t t a m TW, C l a r k T J H . A m e t h o d f o rs t a n d a r d i s i n g a i r w a y r e s i s t a n c e f o r v a r i a t i o n s i nl u n g v o l u m e . C l i n S c i 1 9 7 9 ; 5 7 : 3 9 7 - 4 0 0 .1 4 K i r k R E . E x p e r i m e n t a l d e s i g n : p r o c e d u r e s f o rt h e b e h a v i o u r a l s c i e n c e s . B e l m o n t , C a l i f o r n i a :B r o o k / C o l e P u b l i s h i n g C o m p a n y , 1 9 6 8 ; 7 8 .1 5 R a w b o n e RG, M u r p h e y K , T a t e ME, Kone S J .T h e a n a l y s i s o f s m o k i n g p a r a m e t e r s , i n h a l a t i o na n d a b s o r p t i o n o f t o b a c c o s m o k e i n s t u d i e s o fhuman s m o k i n g b e h a v i o u r . I n : T h o r n t o n RE( e d ) . S m o k i n g b e h a v i o u r . E d i n b u r g h : C h u r c h i l lL i v i n g s t o n e , 1 9 7 8 ; 1 7 1 .1 6 D a l h a m n T , E d f o r s M L , R y l a n d e r R . R e t e n t i o no f c i g a r e t t e s m o k e c o m p o n e n t s i n human l u n g .A r c h E n v i r o n H e a l t h 1 9 6 8 ; 1 7 : 7 4 6 - 8 .1 7 D a l h a m n T , E d f o r s ML, R y l a n d e r R . Moutha b s o r p t i o n o f v a r i o u s c o m p o u n d s i n c i g a r e t t es m o k e . A r c h E n v i r o n H e a l t h 1 9 6 8 ; 1 6 : 8 3 1 - 5 .1 8 N a d e l J A , W i d d i c o m b e J G . R e f l e x e f f e c t s o fu p p e r a i r w a y i r r i t a t i o n on t o t a l l u n g r e s i s t a n c ea n d b l o o d p r e s s u r e . J A p p l P h y s i o l 1 9 6 2 ; 1 7 :8 6 1 - 5 .1 9 D a S i l v a AMT, Hamosh P . E f f e c t o f s m o k i n g as i n g l e c i g a r e t t e o n t h e " s m a l l a i r w a y s . " A p p lP h y s i o l 1 9 7 3 ; 3 4 : 3 6 1 - 5 .

2 0 M c C a r t h y D S , C r a i g D B , C h e r n i a c k RM. T h ee f f e c t o f a c u t e , i n t e n s i v e c i g a r e t t e s m o k i n g onm a x i m a l e x p i r a t o r y f l o w a n d t h e s i n g l e - b r e a t hn i t r o g e n w a s h o u t t r a c e . Am Rev R e s p i r D i s1 9 7 6 ; 1 1 3 : 3 0 1 - 4 .2 1 S o b o l B J , Van V o o r h i e s L , E m i r g i l C . D e t e c t i o no f a c u t e e f f e c t s o f c i g a r e t t e s m o k i n g on a i r w a yd y n a m i c s . T h o r a x 1 9 7 7 ; 3 2 : 3 1 2 - 6 .

2 5 3



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2 5 42 2 R u s s e l l MAH, W i l s o n C , P a t e l UA, F e y e r a b a n dC , C o l e P V . P l a s m a n i c o t i n e l e v e l s a f t e r s m o k i n gc i g a r e t t e s w i t h h i g h , m e d i u m , a n d l o w n i c o t i n ey i e l d s . Br Med J 1 9 7 5 ; 2 : 4 1 4 - 6 .

T i m H i g e n b o t t a m , C o l i n F e y e r a b a n d , a n d T J H C l a r k2 3 H a i n e s C F , Damodar MS, M a h a j a n K , M i l j k o v i cD , M i l j k o v i c M, V e s e l l E S . R a d i o i m m u n o a s s a yo f p l a s m a n i c o t i n e i n h a b i t u a t e d a n d n a i v es m o k e r s . C l i n P h a r m a c o l T h e r 1 9 7 5 ; 1 6 : 1 0 8 3 - 9 .



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doi: 10.1136/thx.35.4.2461980 35: 246-254Thorax

T Higenbottam, C Feyeraband and T J Clark

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Cigarette Smoke Inhalation & the Acute Airway Response (J)