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. 2021 Nov 4;81(11):1224–1237. doi: 10.1055/a-1524-5155

Effects of Prenatal Electronic Cigarette Exposure On Foetal Development: a Review of the Literature

Einfluss pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die fetale Entwicklung: ein Überblick

Pia Römer 1,, Amanda Goméz Putzer 1, Robin Kemmerich 1, Birgit Mathes 1
PMCID: PMC8568504  PMID: 34754272

Abstract

Since their market launch in 2007, e-cigarettes gained popularity and were considered a relatively safe alternative to traditional cigarettes. Pregnant women and women of childbearing age in particular are increasingly turning to e-cigarettes. Little is known about the effects of prenatal exposure on the affected foetus. This paper aims to provide an overview of the current research on the effects of prenatal e-cigarette exposure on the foetus. Since studies in humans are lacking to date, this review refers only to animal and in vitro analyses. The PubMed and Web of Science databases were used for an extensive literature search. The search yielded N = 17 significant research papers. Possible sequelae resulting from prenatal exposure to traditional cigarettes were also seen in prenatal exposure to e-cigarettes. Prenatal e-cigarette exposure was found to be associated with increased DNA methylation overall, resulting in lower gene expression. This could adversely impact the development of affected children, especially in case of those genes relevant to their development. In mice, for example, this greatly reduced the cell vitality of neural and stem cells and increased cell death. Further, prenatal exposure to e-cigarettes resulted in numerous developmental disorders, such as malformations of facial morphology and lower birth weight. Moreover, in animal models the animals suffered from a deterioration of their short-term memory. Activity and cognitive flexibility increased, while anxiety behaviour decreased. It is clear that more research and especially studies of humans are needed on this issue. In addition, there is a need for more intense education of prenatal care professionals as well as women of childbearing age and during pregnancy.

Key words: E-cigarette, pregnancy, foetal development, prevention


Abbreviations

CDC

Centers for Disease Control and Prevention

CH 3

Methyl group

CNS

Central Nervous System

DNA

Deoxyribonucleic Acid

e-cigarette

electronic cigarette

E-Liquid

Electronic Liquid

ENDS

Electronic Nicotine Delivery Systems

Iba-1

Ionized Calcium-binding-Adapter Molecule 1

IFN-gamma

Interferon-gamma

IL

Interleukin

NHS

National Health Service

+Nic

Nicotine-containing

−Nic

Nicotine-less

NPY

Neuropeptide Y

SIMH

Stress-Induced Mitochondrial Hyperfusion

TNF-alpha

Tumour necrosis factor alpha

WHO

World Health Organization  

Introduction

Patented by the Chinese pharmacist Hon Lik, the electronic cigarette (e-cigarette) has been commercially available since 2007 1 . It is a battery-powered device for heating and vaporising a liquid, usually containing nicotine, so that it can be inhaled by the consumer. Other additives may include flavours and substrates 2 . The consequences of prenatal e-cigarette exposure have not yet been adequately studied. Since the current literature is primarily lacking in human studies, the effects on human offspring are still unknown.

In comparison, the effects of traditional cigarettes include miscarriages, stillbirths, later-onset respiratory disorders, cardiovascular diseases, and behavioural problems, all of which are documented and known from human studies 3 . To reduce these sequelae, e-cigarettes were originally designed as a transitional solution and replacement product to facilitate the process of quitting traditional cigarettes 1 .

About 14% of 2020 European Union citizens surveyed have tried e-cigarettes at least once in their lives. A total of 2% consumed e-cigarettes on a regular basis. The use of e-cigarettes, especially among the young generation, appears to be on the rise 4 . In comparison, 22% of citizens have already smoked traditional cigarettes in their lifetime, while 23% are smoking them regularly. The mean number of cigarettes consumed, on the other hand, increases with age 4 . Most female e-cigarette users are of childbearing age 5 . Current international studies estimate the prevalence of e-cigarette use during pregnancy at 0.5 – 15% 6 , 7 , 8 . Pregnant women justify their e-cigarette vaping by their intention to stop smoking traditional cigarettes. However, this effect cannot be demonstrated 9 .

In comparison, the prevalence of traditional cigarette use during pregnancy is estimated at 1.7% overall 10 . Based on the increasing use of e-cigarettes among the young, it is reasonable to assume that the number of users will continue to rise 4 .

Still, medical screening during pregnancy is less likely to include questions on e-cigarettes vaping than on the use of traditional cigarettes. In addition, public advertising campaigns promote its consumption. This not only prevents optimal prevention for substance reduction, but also contributes to the social perception that e-cigarettes are safer 8 . In line with this, analyses of online forums, especially for pregnant women, also showed that most users were aware of the risks and generally had a good understanding of how e-cigarettes worked, but that on the whole e-cigarettes were considered safer than traditional cigarettes 5 ,  11 . The UK National Health Service currently recommends that smokers switch to e-cigarettes during pregnancy. This is justified by the absence of tar and carbon dioxide as teratogenic substances when using e-cigarettes rather than traditional cigarettes 12 . However, this concept is controversial among experts both in Germany and worldwide. Previous trials regarded e-cigarette vaping during pregnancy as particularly dangerous because the foetus absorbs not only the nicotine but also heavy metals and potentially harmful chemicals through the maternal bloodstream 13 . Just as with the consumption of traditional cigarettes, the inhaled substances directly impact the foetus via the placenta 14 . Internationally recognised institutions for the promotion of public health, including the World Health Organization (WHO), therefore speak out against the use of e-cigarettes during pregnancy 15 . As e-cigarettes are a relatively new product, the effects of their use during pregnancy on the unborn child are insufficiently studied. Previous reviews highlighted the need for human studies to generate results that represent the precise sequelae of prenatal e-cigarette exposure 7 ,  16 ,  17 ,  18 . The increasing number of users also shows that a better understanding of the effects of e-cigarettes on human foetal development is still needed and important in order to better inform pregnant women and assess the risks for the affected foetuses. The following paper provides a review of the effects of prenatal e-cigarette exposure on foetal and postnatal development based on animal models. This presents the current state of research, keeps this issue in focus and once again draws attention to the lack of human trials.

Summary

Method

Literature search strategy

The literature search on the effects of prenatal e-cigarette exposure on foetal development was conducted in the PubMed and Web of Science meta-databases. These databases were chosen for their broad range of publications with high scientific significance as well as their focus on medical and biological content. The search was conducted in June 2020 and updated in November 2020. Since most of the publications on this topic are in English, the search used only English search terms.

The inclusion criteria covered empirical research papers published between January 2010 and November 2020. Reviews and studies published before 2010 were excluded. Since the market launch of e-cigarettes has been dated to 2007, publications before 2010 do not reflect the operation of modern devices and are therefore of little value for this paper. Moreover, in order to generate a comprehensive overview, a period of 10 years was chosen.

The search used a combination of the following four keyword categories (A – D): A: Pregnancy, maternal, prenatal, offspring, foetal. B: E-cigarette, electronic cigarette, e-vapour, aerosol, electronic nicotine delivery systems, ENDS. C: Consumption, exposure. D: Development, effects, impact, growth, neurological, brain, cognitive, pulmonary, lung, respiratory. Following the literature search and elimination of duplicates, the titles and abstracts of all papers found were read first. Those papers were then excluded that were obviously irrelevant to the current topic. The full texts of the remaining papers were then reviewed.

Data extraction

A total of 17 studies were identified that investigated the effects of prenatal e-cigarette exposure on the foetus. The details of each studies were extracted by one author (AGP) and then verified for accuracy and completeness by another author (PR). Any minor discrepancies were discussed and resolved among the authors. Tables 1 to 4 summarise the relevant data from each study. All four tables provide information on the following aspects of the studies included: Authors; year of publication and region where the research was conducted; type of study in terms of model organisms (e.g. animals); total number (N) of organisms studied; active substance of the exposure; as well as the duration of exposure; measurement timing studied; outcomes measured; and main conclusions.

Table 1  Animal studies on the effects of prenatal e-cigarette exposure on neurobiological markers.

Author, year (region) Study type N Active substance Period of exposure Measurement timing Measurements Outcomes
PN = postnatal; DP = day of pregnancy; TC = traditional cigarette; DNA = Deoxyribonucleic acid; STM = short-term memory; n. s. = not specified
Zahedi et al., 2019 (USA) In vitro 48 000 neural stem cells E-cigarette liquids with tobacco and menthol flavour with nicotine Mouse cells were exposed to the aerosol for 2 – 24 hours n. s. Mitochondrial adaptation reactions in response to oxidative stress Cellular stress due to e-cigarette exposure
Sifat et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 121 pups E-liquid with 24 mg/mL nicotine DP 5 to PN day 7 PN day 8 – 9 and 40 – 45 Effects on cortical cells Reduced cellular vitality. Deterioration in memory, learning, motor coordination.
Zelikoff et al., 2017 (USA) Animal study (mice) n. s. E-liquid with tobacco and menthol flavours and without nicotine (13 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 28 Effects on cells of the hippocampal region Reduced cellular vitality and increased inflammation
Nguyen et al., 2018 (Australia) Animal study (mice) 24 mothers E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 1, 20 and 84 Neuroepigenetic and cognitive changes Increased DNA methylation
Nguyen et al., 2019 (Australia) Animal study (mice) 24 mothers Tobacco-flavoured e-liquid with 18 mg/mL nicotine Group A: TC9 weeks before fertilisation, e-liquid until PN day 20
Group B: E-liquid fertilisation until PN day 20
PN day 1, 20, 84 and 91 Neuroepigenetic changes and effects on memory and behaviour Altered gene expression and restricted STM. Increased exploration behaviour
Lauterstein et al., 2016 (USA) Animal study (mice) 36 young animals E-liquid with and without nicotine (13 – 16 mg/mL) Fertilisation to PN day 25 – 27 PN day 25 – 31 Effects on cells of the frontal cortex Transcriptome alteration in the frontal cortex
Church et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 135 young animals E-liquid with and without nicotine (16 mg/mL) Fertilisation to DP 17 PN day 21, 56 and 84 Effects on neuroinflammation and cognition Elevated inflammation parameters in some brain regions as well as changes in cognitive abilities
Chen et al., 2018 (Australia) Animal study (mice) 8 mothers Tobacco flavoured e-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 20 Effects on neuroinflammation and neurometabolism Elevated inflammation parameters and increased metabolic processes

Table 4  Animal studies on the effects of prenatal e-cigarette exposure on cognition and behaviour.

Author, year (region) Study type N Active substance Period of exposure Measurement timing Measurements Outcomes
PN = postnatal day; DP = day of pregnancy; TC = traditional cigarettes; STM = short-term memory; n. s.= not specified
Sifat et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 121 pups E-liquid with 24 mg/mL nicotine DP 5 to PN day 7 PN day 8 – 9 and 40 – 45 Effects on cortical cells Deterioration in memory, learning, motor coordination.
Reduced cellular vitality.
Nguyen et al., 2018 (Australia) Animal study (mice) 24 mothers E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 1, 20 and 84 Cognitive and neuroepigenetic changes Increased curiosity behaviour. Decreased object recognition.
Nguyen et al., 2019 (Australia) Animal study (mice) 24 mothers Tobacco-flavoured e-liquid with 18 mg/mL nicotine Group A: TC9 weeks before fertilisation, e-liquid until PN day 20
Group B: E-liquid fertilisation until PN day 20
PN day 1, 20, 84 and 91 Effects on memory and behaviour and neuroepigenetic changes Increased exploration behaviour. At times minor neuroepigenetic changes and limited STM.
Church et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 135 pups E-liquid with and without nicotine (16 mg/mL) Fertilisation to DP 17 PN day 21, 56 and 84 Effects on cognition and neuroinflammation Changes in cognitive abilities. Elevated inflammation levels in individual brain regions
Smith et al., 2015 (USA) Animal study (mice) 28 pups E-liquid with and without nicotine (24 mg/mL) DP 15 – 19 and PN day 2 – 16 PN day 98 Cognitive effects Increased motor activity and diminished anxiety behaviour

Assessing the quality and risk of bias

Quality and bias assessment for all 17 studies according to the “OHAT Risk of Bias Rating Tool for Human and Animal Studies” 19 is summarised in Table  S1 . This tool was developed based on the latest Agency for Healthcare Research and Quality guidelines 20 and applied to each study included in this review. It was used to assess aspects such as randomisation, blinding and selective reporting of results (Table  S1 ). The studies were assessed on a four-point scale based on eight questions: “Definitely low risk of bias”, “Probably low risk of bias”, “Probably high risk of bias”, “Definitely high risk of bias”. The assessment was carried out by one author (RK) and then verified for accuracy and completeness by another author (PR). Below, the terms “+Nic” and “−Nic” are used to indicate whether the administered exposure medium contained nicotine (+Nic) or not (−Nic). The designation of +/−Nic comprises both groups. These designations were made irrespective of possible other additives, the effects of which could be studied depending on +/−Nic. The control groups were animals exposed to room air that did not inhale any of the e-cigarette ingredients. In general, exposure of e-cigarettes and their ingredients in the studies included in this review was carried out via various specially designed boxes housing the laboratory animals (see e.g.: 12 ,  13 ).

Due to the lack of studies in humans, this review only includes findings based on animal experiments.

Outcomes

In the course of the literature search, it was discovered that research on the effects of prenatal e-cigarette exposure on foetal development had so far been conducted solely at the level of animal experiments. Most of the studies included (N = 17) focused their research on neurobiological (n = 8 studies, Table 1 ) and on respiratory effects and other organ systems (n = 8, Table 2 ). The latter include studies on pulmonary (n = 4 studies), cardiovascular (n = 2 studies), facial morphology (n = 1 study), and renal sequelae (n = 1 study). Some of the 17 studies also reported findings on various birth parameters (n = 12 studies, Table 3 ) and effects on cognition and behaviour (n = 5 studies, Table 4 ).

Table 2  Animal studies on the effects of prenatal e-cigarette exposure on the lungs and other organ systems.

Author, year (region) Study type N Active substance Period of exposure Measurement timing Measurements Outcomes
PN = postnatal day; DP = day of pregnancy; TC = traditional cigarettes; n. s.= not specified
Nöel et al., 2020 (USA) Animal experiments (mice) 183 young animals Cinnamon-flavoured e-liquid with 36 mg/mL nicotine Group A: 12 days before fertilisation until DP 19
Group B: Fertilisation until DP 19
PN day 1 and 28 Effects on lung tissue and function Changes in lung structure and dysregulation of the Wnt signalling pathway
Chen et al., 2017 (Australia) Animal experiments (mice) n. s. E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 1, 20 and 91 Effects on epigenetic processes in lung tissue Changes in DNA methylation and proinflammatory cytokines in the lung unrelated to nicotine content
McAlinden et al., 2017 (Australia) Animal experiments (mice) n. s. Group A: TC and +Nic e-liquid; Group B: E-liquid with and without nicotine Group A: TC until fertilisation, e-liquid until birth
Group B: E-liquid Fertilisation up to PN1
n. s. Effects on lung tissue and function +Nic e-cigarettes exacerbate allergic asthma.
Berkelhammer et al., 2019 (USA) In vitro Pulmonary muscle cell specimen Flavoured e-liquids Exposure 1 h After 24 h incubation Effects on muscle cells of the lung Neonatal cells exhibit strong sensitivity to e-liquid toxicity. Flavours lead to increased cell death.
Kennedy et al., 2017 (USA) Animal study (Xenopus laevis) n. s. E-liquid with and without flavour and nicotine Period of embryonic development PN day 1 Effects on facial morphology E-liquid consumption leads to craniofacial deformation. This is exacerbated by nicotine and flavours.
Orbazal et al., 2019 (USA) Animal study (mice) n. s. E-liquid with and without nicotine (100 mg/mL) ST 5 – PN10 PN day 10 Effects on birth parameters +Nic e-liquid restricts growth and decreases the blood supply.
Palpant et al., 2015 (USA) Animal study (zebrafish) n. s. +Nic e-liquid 3 days prenatal Following the exposure Effects on the cardiovascular system Cardiac malformations, impaired cardiac function and pericardial effusions
Li et al., 2019 (Australia) Animal study (mice) 143 E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) Group A: E-liquid 6 weeks before fertilisation until PN day 20
Group B: TC6 weeks before fertilisation, then e-liquid until PN day 20
PN day 1 and 20 Effects on the renal tissue Prolonged exposure to e-liquid results in oxidative stress, inflammation and fibrosis in kidney tissue, regardless of nicotine content.

Table 3  Animal studies on the effects of prenatal e-cigarette exposure on birth parameters.

Author, year (region) Study type N Active substance Period of exposure Measurement timing Measurements Outcomes
PN = postnatal day; DP = day of pregnancy; TC = traditional cigarettes; n. s.= not specified
Church et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 135 pups E-liquid with and without nicotine (16 mg/mL) Fertilisation to DP 17 PN day 21, 56 and 84 Effects on birth parameters No effects on litter size and birth weight
Nguyen et al., 2019 (Australia) Animal study (mice) 24 mothers Tobacco-flavoured e-liquid with 18 mg/mL nicotine TC9 weeks before fertilisation, e-liquid until PN day 20 PN day 1, 20, 84 and 91 Effects on birth parameters No effects on litter size, survivability. Reduced birth weight.
Nöel et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 183 pups Cinnamon-flavoured e-liquid with 36 mg/mL nicotine Group A:12 days before fertilisation until DP 19 of Group B: Fertilisation until DP 19 PN day 1 und 28 Effects on birth parameters no effect on litter size, +Nic e-liquid resulted in reduced body size and birth weight
Sifat et al., 2020 (USA) Animal study (mice) 121 pups E-liquid with 24 mg/mL nicotine DP 5 to PN day 7 PN day 8 – 9 and 40 – 45 Effects on birth parameters no effect on litter size, +Nic e-liquid resulted in reduced birth weight
Palpant et al., 2015 (USA) Animal study (zebrafish) n. s. +Nic e-liquid 3 days prenatal PN day 1 – 3 Effects on birth parameters +Nic e-liquid reduced neonatal survivability
Nguyen et al., 2018 (Australia) Animal study (mice) 24 mothers E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 1, 20 and 84 Effects on birth parameters E-cigarette vaping without effects on weight and mortality
Chen et al., 2017 (Australia) Animal study (mice) n. s. E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 1, 20, 91 Effects on birth parameters No effects on birth weight and organ weight, change in fat distribution.
Chen et al., 2018 (Australia) Animal study (mice) 8 mothers Tobacco flavoured e-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) 6 weeks before fertilisation until PN day 20 PN day 20 Effects on birth parameters Change in fat distribution, no change in birth weight
Lauterstein et al., 2016 (USA) Animal study (mice) 36 pups E-liquid with and without nicotine (13 – 16 mg/mL) Fertilisation to PN day 25 – 27 PN day 25 – 31 Effects on birth parameters No effects of e-cigarette vaping were observed.
Li et al., 2019 (Australia) Animal study (mice) 143 pups E-liquid with and without nicotine (18 mg/mL) Group A: E-liquid 6 weeks before fertilisation until PN day 20
Group B: TC6 weeks before fertilisation, then e-liquid until PN day 20
PN day 1, PN day 20 Effects on birth parameters E-liquid resulted in lowered birth weight and no changes in renal weight.
Smith et al., 2015 (USA) Animal study (mice) 28 pups E-liquid with and without nicotine (24 mg/mL) DP 15 – 19 and PN day 2 – 16 PN day 98 Effects on birth parameters Lower birth weight (− Nic e-liquid < +Nic e-liquid < control group)
Orbazal et al., 2019 (USA) Animal study (mice) n. s. E-liquid with and without nicotine (100 mg/mL) ST 5 – PN10 PN day 10 Effects on birth parameters Lowered birth weight and smaller size with +Nic e-liquid

The studies included in this review were of adequate overall quality and the risk of bias was low. In 10 of the 17 studies, it can definitely be assumed that prenatal exposure was adequately randomised, while in six studies such adequate randomisation was probable. Only one study demonstrated a probable high risk of bias in this respect, which had to be taken into account when interpreting the outcomes. In terms of identical experimental conditions in all study groups, the risk of bias was definitely low in n = 14 studies and probably low in three studies. All 17 studies were assessed as having a definitely low risk of bias with regard to the appropriate reporting of the outcomes. Other aspects and more detailed information can be found in Table  S1 . Differences in study quality and risk of bias can be explained, for example, by differences in study design and different survey methodology.

Neurobiological markers

The publications on the effects on neurobiological markers listed in Table 1 concern neural cell vitality, neuroepigenetic changes, neuroinflammation, and neurometabolism.

The in vitro studies by Zahedi et al. (2019) exposed neural stem cells from mice to the +Nic aerosol from e-cigarettes with different flavours for 24 hours. Stem cells can develop into any cell type 24 and are elementary for the regeneration and repair of tissues, organ formation and maintaining homoeostasis 23 . Neural stem cells have been shown to be sensitive to toxic substances, such as nicotine. They are therefore well suited for testing the safety of substances such as e-liquids 23 . Nicotine-containing aerosols elicit stress-induced mitochondrial hyperfusion (SIMH 23 ). In this process, the mitochondria of the neural stem cells swell and fuse into long filamentous mitochondria. The high nicotine level increasingly opens up ion channels in the membrane of neural stem cells, allowing calcium and other ions to flood the cells in large quantities. The high intracellular calcium level results in a calcium influx into the mitochondria. Too much calcium has a toxic effect on the mitochondria. SIMH may be regarded as a protective mechanism in response to the cellular stress induced by high nicotine levels 25 . Furthermore, the experiment by Zahedi et al. also caused mitochondrial oxidative stress 23 . Oxidative stress can also lead to breaks in deoxyribonucleic acid (DNA) strands, inactivation of enzymes and damage to vulnerable nerve cells 26 . Mitochondrial matrix proteins are particularly susceptible to oxidative stress. Their reaction has negative effects on the respiratory chain and therefore the findings suggest the risk of energy deficiency in foetuses whose mothers vape e-cigarettes 27 . Moreover, the study by Zahedi et al. (2019) demonstrated that nicotine causes intracellular calcium excess, which may result in serious sequelae such as rupture of cell membranes 23 . The effects of e-liquid aerosols on neural stem cells therefore appear to be triggered by the nicotine and not by the flavours or substrates of the e-liquid 23 . Sifat et al. (2019) studied the effects of +Nic e-cigarette aerosols on cortical cells in mice. An altogether decreased neuronal metabolism was noted. This became evident by a reduction in glucose uptake, expression of glucose transporters, adenosine triphosphate content, as well as a lower mitochondrial membrane potential 22 . E-cigarette exposure also led to reduced cell viability and increased DNA damage 22 . In addition, the researchers found increased sensitivity of the mice to postnatal hypoxic-ischaemic brain injury caused by prenatal exposure to +Nic e-cigarettes, which is also seen in neonates with inadequate oxygen supply. Effects on cellular vitality were also observed in the hippocampus. Certain nerve growth factors were decreased after prenatal +Nic as well as −Nic e-cigarette use. This may cause growth disorders and impair hippocampal function 22 . This was accompanied by an increase in long-term deficits, spatial acquisition and reference memory 22 . Epigenetics describes modifications of gene activity that arise, for example, through environmental effects such as the consumption of toxic substances and may lead to a change in phenotype 28 . DNA methylation is an epigenetic mechanism in which DNA methyltransferases add a methyl group (CH3) to the cytosine base of a DNA nucleotide. Methylated cytosines inactivate the gene. Looking at neuronal development, DNA methylation affects when which genes are expressed or silenced. For example, increased methylation may lead to the non-expression of certain genes, thereby affecting brain development 28 . In mice, it could be shown that prenatal +/−Nic cigarette exposure temporarily led to significantly increased DNA methylation in the brain cells 29 . Compared with exposure to traditional cigarette smoke, however, the degree of DNA methylation was significantly lower in mice whose intrauterine exposure was changed from cigarette smoke to +Nic e-cigarettes. It appears that DNA methylation correlates strongly with exposure to traditional cigarette smoke 21 . In addition, the expression of the genes coding for the enzymes regulating DNA methylation was also studied. It was noted that under the influence of −Nic e-cigarettes, these genes exhibited a pattern of variance compared to the control group that was greater than that compared to +Nic e-cigarettes 29 . The varying gene expression also affected genes coding for mitotic kinases, which play an important role in cell growth. In these two cases, the variance was also smaller than in traditional nicotine exposure 21 . Another approach to the epigenetic effects of e-cigarettes is transcriptome analysis. The transcriptome is the set of all genes transcribed in the cell at a given time 28 . Transcription is an important subprocess of gene expression that determines the effect of the genome on the phenotype. Lauterstein et al. (2016) used a mouse model to demonstrate that both +Nic and −Nic prenatal e-cigarette aerosol exposure causes changes in the central nervous system (CNS) transcriptome. Compared to mice in the control group, which only inhaled air, this primarily affected cells of the frontal cortex 30 . With the help of databases, it is possible to compare the gene changes with gene profiles correlating with individual diseases, developmental disorders and general functional impairments. This analysis showed that the above changes can probably result in reduced memory, cognition, and learning ability as well as poorer neurotransmission. Moreover, correlations between aerosol exposure and increased hyperactivity, increased emotionality and seizures were observed post partum. The altered CNS transcriptome was also linked to neuronal growth disorders. Particularly striking here were impairments in dendrite growth and neuron density and also increased cell death 30 .

Neuroinflammation is the inflammation of nerve tissue. This usually describes chronic inflammation of the CNS. Inflammation arises as an immune response to a harmful stimulus, with the aim of eliminating it. At the molecular level, so-called inflammatory mediators play a major role in inflammatory reactions. They can initiate, amplify and maintain inflammatory processes to counteract a harmful stimulus such as e-cigarette aerosols or nicotine. They therefore have a proinflammatory effect 31 . Depending on the situation, inflammatory processes may have a variety of psychological, immunological, physiological or biochemical consequences 31 . Individual changes in inflammatory mediators have been detected in the hippocampus and the diencephalon as a result of prenatal exposure to +Nic e-cigarettes 32 . Compared to the control group, a decrease in the level of interferon-gamma (IFN-gamma) in the hippocampus of female offspring was observed. Moreover, in offspring of both sexes a decrease in IFN-gamma and the cytokine of the interleukin family IL-4 was observed in their diencephalon 32 . This reduction in immune signalling is thought to be due to the well-documented immunosuppressive effects of nicotine on the central nervous system 33 . In addition, this may reflect the ability of nicotine to inhibit the maturation and function of T lymphocytes through activation of the acetylcholine receptor. T cells are special lymphocytes that play an important role in the induction of the immune response, with their differentiation also being induced by IL-4 cytokines 32 . An increase in the so-called “ionised calcium-binding adapter molecule 1” (Iba-1) was also observed in the hippocampus and frontal cortex for the group of prenatal −Nic e-cigarette exposure 34 . This is a protein that is upregulated after nerve injury, neuronal ischaemia and brain injury. It was considered noteworthy that the reduction in Iba-1 only applied to the −Nic group. This implied that there were elevated levels of inflammation in the −Nic group, which could damage neuronal development further down the line 34 . Irrespective of the region, it was found that prenatal exposure to −Nic e-cigarettes increased the concentration of inducible nitric oxide synthase (NO synthase) in affected offspring. Elevated NO synthase levels can lead to dysregulation of brain regulatory pathways through oxidative stress, which may result in CNS damage 35 .

One aspect often associated with tobacco use is inhibited appetite. Children with prenatal exposure to tobacco had an increased likelihood of developing obesity during childhood, which might be attributed to the effects of tobacco withdrawal 36 . One study investigated whether these outcomes might also be extrapolated to the consumption of e-cigarettes. In mice, an increased presence of neuropeptide Y (NPY) was observed following maternal exposure to −Nic e-liquid 35 . NPY is produced in the hypothalamus and is believed to stimulate the appetite. Elevated levels in affected offspring may thus lead to weight gain, possibly even to obesity. Vaping +Nic aerosols counteracted this effect. Compared to the test group that received −Nic aerosol, no postnatal changes in the hunger response pathways were observed in the offspring of the +Nic test group. In contrast, offspring exposed to prenatal −Nic aerosols exhibited obesity 35 . These results suggest that aerosols and their chemical constituents appear to affect cerebral metabolic processes. Exposure to −Nic e-cigarettes thus does appear to carry some risk.

Lungs and other organ systems

Table 2 lists publications on the effects on the lungs and other organ systems. Four studies on the effects on the lungs were identified. These addressed anatomical and functional effects, inflammatory processes and the epigenetics of lung tissue. Other effects include cardiovascular and renal outcomes and morphological facial changes.

One study demonstrated that physiological processes controlling lung development were downregulated in offspring of animals exposed to +Nic e-cigarettes before fertilisation and from fertilisation onwards 37 . It is known that this may lead to less differentiated development of the lungs and a higher proportion of connective tissue. This will lead to impaired pulmonary function 38 . Also, offspring of mothers exposed to +Nic e-cigarettes before fertilisation exhibited increased elasticity of the lungs compared to the control group. Changes in elasticity, and thus the increased elasticity observed here, make breathing more difficult and can lead to secondary lung disorders 37 . The outcomes of another study show that both +Nic and −Nic e-cigarette exposure elevates certain growth factors in the lung tissue of affected offspring and alters DNA methylation processes 39 . Morphometric analyses also revealed that in the neonatal lung prenatal +Nic e-cigarette exposure leads to increased tears of the lung tissue 37 . In vitro analyses of the effects of different flavoured E-liquids on foetal and neonatal lung cells in mice found that different flavours elicited widely varying cell responses. While the pure substrates did not affect the cells, the combination with menthol and strawberry flavouring resulted in increased cell death 40 . Menthol also caused dilation of the bronchi 40 . In animals and humans, bronchial dilation results in a more pleasant perception of breathing, thereby markedly delaying the perception of lung disease symptoms 41 . Bronchial dilation also increases the effect of passive smoking in neonates and infants in the vicinity of e-cigarette vapours. This leads to a higher concentration of flavours, substrates and possibly nicotine in young, still developing lungs 40 .

Other findings showed evidence that several genes regulating inflammation were modified in young animals whose mothers were exposed to +Nic e-cigarettes both prenatally and before fertilisation 37 . These outcomes suggested an anti-inflammatory effect of +Nic e-cigarettes. Likewise, the outcomes also showed that exposure to +Nic e-cigarettes before fertilisation may also affect the offspring. These manifested at both the molecular and anatomical levels as down-regulated genes supporting lung function as well as an increase in lung tissue. This can lead to lung immaturity and later on to lung disorders 37 . The levels of certain proinflammatory cytokines are known to be elevated in patients with asthma and chronic obstructive pulmonary disease. These include interleukins 1β, 3, 4, 5, 6, 13, and tumour necrosis factor-alpha (TNF-alpha 39 ). Measurements immediately after birth revealed that after prenatal exposure to −Nic e-cigarettes young animals exhibited an increased expression of interleukins 5 and 13 as well as TNF-alpha 39 , which could indicate an increased tendency to asthmatic disorders. In line with this, another study investigated the extent to which prenatal exposure to e-cigarettes triggers asthma 42 . Pups exposed pre- and postnatally to +/−Nic e-cigarette aerosols were tested in an allergy exposure model for their pulmonary function and the degree of inflammatory response. A particularly strong sensitivity to allergens and an increased airway resistance were observed in the +Nic group. Both can trigger asthma symptoms. The same findings were obtained in pups whose mothers were exposed to conventional cigarettes before fertilisation and to +Nic e-cigarettes after fertilisation. Presumably this was caused by increased mitochondrial oxygen consumption. This indicates damaged mitochondria with resulting tissue death leading to increased fibrosis 42 .

In the studies by Chen et al. (2017), DNA methylation was found to be three times higher on day one after birth in mice of the −Nic group than in the control group. The +Nic group also exhibited an increase in DNA methylation compared to the control group, but this was less pronounced than that of the −Nic group. This suggests a change in gene activity, although further studies must identify which genes are affected 39 .

Cardiovascular organ system

Studies on the offspring of animals exposed to e-cigarette aerosols with or without nicotine from fertilisation to the end of lactation revealed no changes in heart rate. However, in the +Nic e-cigarettes group, decreased blood flow through two arteries supplying oxygenated blood to the foetus was noted 43 . In newborn zebrafish, prenatal +Nic e-liquid exposure induced severe cardiac malformations, impaired cardiac function and pericardial effusions 44 . The latter includes fluid accumulation in the pericardium reducing cardiac output 45 . Decreased expression of cardiac transcription factors was also found. This delayed the differentiation and development of the heart cells, which in turn may cause heart defects. The heart muscle cells also exhibited reduced expression of genes encoding muscle components 46 . This reduced the number of contractile units in the muscle. As a result, the myocardial cells can only develop to a limited extent and the heart muscle becomes less efficient 47 .

Renal organ system

According to an analysis in mice, prenatal exposure to e-cigarettes led to a lower density of kidney corpuscles in affected offspring. This finding indicates that the kidney is less developed and renal functions, including filtering function, regulation of water, nutrient and electrolyte balance, and blood pressure, are impaired 48 . The oxidative stress level in renal cells was elevated only in pups whose mothers had been exposed to −Nic e-cigarettes 48 . In addition, all pups with prenatal exposure to e-cigarettes exhibited increased inflammation in the kidneys. Persistent inflammatory response leads to increasing scarring and fibrosis, i.e., the replacement of functional tissue with connective tissue. Despite the heightened expression at the gene level, however, no increased presence of connective tissue was observed overall. However, this only applies to pups and may be different at more advanced stages of development 48 .

Morphological facial changes

One study analysed the effects of prenatal e-cigarette exposure on the craniofacial morphology of the African clawed frog (xenopus laevis). Pure e-liquids with different nicotine levels and six commercially available flavoured e-liquids with comparable nicotine levels were tested 49 . The analysis revealed that exposure of the pure e-liquid with all nicotine levels resulted in changes. Rounder mouths and more closely set eyes were observed. The changes were more pronounced in the group whose mothers were given the e-liquid with the highest nicotine level (24 mg/mL) 49 . Four of the six commercially available liquids induced similar insignificant changes in facial morphology. However, two e-liquids resulted in significant changes such as protruding eyes, a narrower midface and a rounder, narrower mouth with a triangular upper lip. The significant differences cannot be explained by a higher nicotine level, since all six liquids had similar nicotine concentrations 49 . Exposure to these two −Nic liquids also resulted in marked facial deformation, albeit less than that caused by exposure to liquids with high nicotine levels 49 .

Birth parameters

The effects of prenatal exposure to e-cigarettes on birth parameters such as birth weight and litter size of affected offspring are given below. Twelve of the total of 17 publications examined provided information on these parameters, which are listed in Table 3 .

Neither stillbirths nor increased infantile mortality were observed in 4 of the 17 studies analysed 21 ,  22 ,  29 ,  32 ,  37 . This is true for maternal prenatal e-cigarette exposure from the time of conception as well as for exposure of both parents weeks before conception. In the +Nic e-liquid group of zebrafish, however, studies observed a reduced survival rate within the first 72 hours 46 .

On several occasions, reduced birth weight has been associated with prenatal +Nic e-cigarette exposure 21 ,  22 ,  37 ,  43 ,  48 . In one study, maternal animals were exposed to traditional tobacco before birth 21 . The findings of Smith et al. (2015) speak against the hypothesis that birth weight is lowered primarily by a high nicotine level. In this study, prenatal exposure of +Nic and −Nic led to a reduction in birth weight, and this effect was even stronger for −Nic compared to +Nic 21 . However, weight measurements in adults uniformly showed that any birth weight differences will level out later in life 21 ,  22 ,  32 ,  39 . In addition to body weight, the weight of the liver and kidneys was also measured. Measurement one day after birth did not reveal any differences in liver weight between the study groups. At 20 days of age, measurements showed that passive pre- and postnatal +Nic e-cigarette aerosol exposure correlated with higher liver weight, as a percentage of body weight. Compared to the control and +Nic e-liquid groups, adult offspring of the −Nic e-liquid group experienced a significant reduction in liver weight 35 . At no time did the prenatal exposure to +Nic e-cigarettes show any changes in renal weight 48 .

Animal studies often examine the distribution of fat stores, as they provide information on signs of obesity 48 . Measurements at one day of age showed no differences in fat distribution between the study groups 50 . In 20-day-old mice prenatally assigned to the −Nic e-liquid group, measurements revealed increased abdominal fat 39 . In another study, the same study group demonstrated an increased amount of fatty tissue in the region of the epididymis 35 . In mice, the lateral region of the epididymis extends from the testis to the diaphragm 39 . Regardless of nicotine level, prenatal e-cigarette exposure was also associated with increased fat mass in the abdominal cavity. In adult animals, these findings return to normal, but an increase in intraabdominal fat mass was observed in offspring prenatally exposed to +Nic or −Nic e-cigarettes 50 .

In two studies, body length measurements on postnatal day one revealed a marked reduction in body size after prenatal exposure to +Nic e-cigarettes 39 . The findings of Nöel et al. (2020) did not identify marked differences after prenatal exposure from fertilisation as well as after twelve days prior to fertilisation.

Cognition and behaviour

The following section describes the effects of prenatal e-cigarette exposure on cognition and behaviour in affected offspring. Of the total of 17 studies analysed, 5 studies provided information on this. These are listed in Table 4 .

Changes in short-term memory in mice can be measured by the novel object recognition test. Here, the test object is placed in a box with two identical blocks. After a familiarisation phase, one of the blocks is replaced by a block of different shape and colour. The time spent on exploring the new block is measured. The test is based on the assumption that limitations of short-term memory, whereby the old block is not remembered as known, result in both blocks being explored for the same length of time after the switch 35 . When tested, adolescent mice prenatally exposed to e-cigarette vapour exhibited significant deterioration in object recognition 22 . This was true for the +Nic and −Nic groups compared to the control group 22 and could be replicated in adult animals 32 . In addition, mice were studied that were exposed to traditional cigarettes until fertilisation and then further exposed to +Nic e-cigarettes from fertilisation onwards. A clearly limited object recognition in adulthood was observed here 29 . On open-field testing, which measures locomotor activity, one study found significantly higher activity in offspring prenatally exposed to +Nic e-cigarette vapour compared to the control group 22 . In terms of the translation to humans, these findings could indicate that this exposure might favour the pathogenesis of disorders such as ADHD in the further course of animal development. However, this remains uncertain and requires further research 22 . In the elevated plus maze test, mice prenatally exposed to +Nic and −Nic e-liquid travelled a significantly longer distance than the control group 21 . The same effect was also noted in adolescent mice 51 . The Elevated Plus Maze test comprises a box with four passageways which, from a birdʼs eye view, resembles a plus sign. Half of the passageways are walled in, while the other half is floor only. Crucial for testing anxiety behaviour is that longer stays in the open passageways and travelling a longer distance is interpreted as low anxiety behaviour 32 . Another study confirmed these outcomes. Mice prenatally exposed to both +Nic and −Nic e-liquid stayed longer in the passageways. This behaviour may be interpreted that prenatal e-cigarette exposure decreases anxiety behaviour in mice regardless of nicotine content 29 . A significantly longer stay in the open passageways was found in adolescent animals with prenatal +Nic exposure to e-liquid 51 . The same effect was noted in mice whose mothers were switched from traditional tobacco to +Nic e-liquid exposure from fertilisation onwards 21 . The findings of Nguyen et al., 2019, and Smith et al., 2015, thus indicate that offspring prenatally exposed to typical e-cigarette aerosols with or without nicotine are more active, less anxious and more likely to explore different environments. The literature also describes other measurements of reduced anxiety in the form of behaviours such as body stretching, standing on the hind paws and head nudging 32 ,  51 . Young animals with prenatal exposure to +Nic e-liquid exhibited more nudging motions of the head 21 . Findings on the presence of body stretching in the Elevated Plus Test differed for open and closed passageways. While movements in the closed passageways were observed just as often in all study groups, animals in the group of prenatal-Nic e-liquid exposure exhibited significantly more movements in the open passageways 21 ,  51 . Findings on the effects regarding anxiety symptoms appear inconclusive in the further course of animal development. Reduced anxiety behaviour, measured by the increased time spent in open versus closed passageways, was measured once again in adolescence after prenatal e-liquid exposure, independent of nicotine content. Following prenatal nicotine exposure, the second reading revealed an increased incidence of exploratory nudging movements of the head. In addition, prenatal −Nic e-liquid exposure promoted body stretching, as did tobacco exposure. With regard to behaviour, the studies listed demonstrated that while it appears to be affected by prenatal e-liquid exposure, these changes were generally independent of the nicotine content.

Discussion

This review analyses 17 research papers of the last 10 years on the effects of prenatal exposure to e-cigarettes. These papers included research on neurobiological effects (n = 8) and research on the effects on the lungs and other organ systems (n = 8). Some of the 17 studies overall also provided information on effects on birth parameters (n = 12) and on cognition and behaviour (n = 5). All research involved animal or in vitro studies. To date, the current literature does not contain any studies on humans.

Comparison with effects of traditional cigarettes

Due to the lack of studies in humans, definitive comparison of the effects of prenatal exposure to e-cigarettes and conventional cigarettes is limited at present. Present findings on prenatal exposure to e-cigarettes based on in vitro and animal studies cannot be fully translated to the human body and therefore cannot be compared directly with those of traditional cigarettes 52 ,  53 . The small number of studies identified and the lack of studies in humans might be explained by the fact that e-cigarettes have only been available as a commercial product since 2007 and have only gained popularity in the last few years 54 . Most in vitro and animal studies indicate a potential risk to the developing foetus, primarily due to the nicotine consumed 7 ,  16 . The latter is a main constituent of the e-cigarette, just as it is with traditional cigarettes. Thus, the adverse effects known from human studies on prenatal exposure to traditional cigarettes and nicotine-containing tobacco products might also be induced by nicotine-containing e-cigarettes.

Nicotine passes through the placental barrier and is thus distributed in the foetal body. As a result, the foetus can only eliminate it slowly, which results in higher exposure 55 . Studies in humans have demonstrated that nicotine exposure is a major cause of a wide range of adverse and pathological birth outcomes such as low birth weight, miscarriage and stillbirth 3 ,  55 . Moreover, the literature reports a significantly increased risk of sudden infant death syndrome, obesity, type 2 diabetes 3 ,  56 , as well as a reduction in male reproductive capacity 57 and earlier menarche in young females 56 . Nicotine consumption during pregnancy affects various physiological parameters in pregnant women, leading to oxygen deficiency in the foetus. Hypoxaemia reduces foetal nutrient supply through nicotine-induced impairment of the uteroplacental blood flow 56 . This may result in a wide range of respiratory disorders such as bronchitis and asthma 3 ,  56 . By crossing the placental barrier, nicotine also affects neuronal development via the neurotransmitter system 56 . Due to its close similarity with the neurotransmitter acetylcholine, nicotine is thought to bind to its receptors 58 ,  59 . Nicotinic acetylcholine receptors are involved in the development of various neurotransmitter systems that are dysregulated by nicotine use 59 . This may lead to errors in the processing of basic cognitive processes such as learning, memory and attentiveness 60 . Other effects with possible onset at later stages of development include behavioural problems such as lower global intelligence 56 and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). The known effects of nicotine alone clearly show that the consumption of nicotine-containing e-cigarettes is less of an alternative-safe way of giving up traditional cigarettes, but can rather lead to the above sequelae in affected offspring.

In addition to nicotine, tobacco smoke from traditional cigarettes also contains numerous other harmful substances. About 40 of these are foetotoxic, including tar and carbon monoxide 61 . Compared to traditional cigarettes, electronic nicotine delivery systems are non-flammable and are believed to contain correspondingly fewer toxins such as carbon monoxide 62 . However, in addition to the nicotine content, other substances in the e-cigarette and their mode of action must also be taken into account. Many studies on the effects of prenatal e-cigarette exposure on the foetus only refer to the effects of pure nicotine and not to the e-cigarette aerosol in its entirety. Nevertheless, there is also evidence of sequelae that are not due to nicotine but to other components of e-cigarettes, such as flavours and substrates 22 ,  48 . In addition to nicotine, the e-cigarette liquids to be consumed contain substrates such as propylene glycol and glycerine as well as various flavours. Propylene glycol and glycerine are sweet tasting colourless viscous liquids. The effects caused by the inhalation of these substrates are still unknown, which is why a negative effect cannot be ruled out. Some of the flavoured “juices” can also be even more irritating to the lungs than the substances in traditional cigarettes. Moreover, flavours appear to have different effects. This was shown in studies of the lung tissue of affected offspring, where menthol and strawberry flavouring, but not tobacco or vanilla flavouring, increased cell death 40 . Cherry flavouring seems to be the most harmful, as it contains benzaldehydes that have a foetotoxic effect 63 . Previous findings still need to be supplemented by further research based on studies in humans. However, the assumption that e-cigarettes can be classified as a safer alternative to conventional cigarettes can be ruled out.

Methodological limitations

This review has some limitations with regard to current research results. Studies on the effects of prenatal e-cigarette exposure show methodological heterogeneity with regard to certain aspects. For example, animals are exposed to the e-cigarette liquid for different lengths of time. This varies the intensity of the exposure, which has a corresponding effect on the scale of the effects observed in the offspring. In addition, there has been inadequate research into the substrates and flavours of e-cigarette liquids. While substance comparison between e-cigarette liquid and traditional cigarettes is primarily based on nicotine, there is a lack of studies on the effects of substrates and various flavours. The literature to date already suggests that there may be negative effects arising from the substrates and flavours 22 ,  40 ,  48 . However, little is known about this yet.

Moreover, the current literature is clearly lacking studies on humans. Due to still inadequately documented prevalences of e-cigarette vaping in general and during pregnancy, a consistent, global comparison is not possible. This complicates adequate prevention approaches concerning relevant target groups. Furthermore, no clear conclusions can yet be drawn about the effects of prenatal e-cigarette exposure on affected offspring.

The translation of conclusions from animal studies to the human body and between different animal species is still under discussion. With their similar evolutionary development, mice and apes resemble humans 52 . Moreover, mice have the same organs and similar functions of their circulatory, reproductive, digestive, hormonal, and nervous systems as humans. Due to these similarities, mice in particular can develop diseases that very closely resemble the equivalent clinical picture in humans. Thus, parts of the outcomes from mouse models can be translated to humans 53 . In the context of animal studies, it is possible to work experimentally in a variety of ways, but it is still important to aim for studies on the effects of e-cigarettes on early development in humans. The lack of studies in humans to date may be related to the fact that cigarette vaping is not yet widely seen as an unsafe and potentially harmful alternative to traditional cigarettes, and that this approach is advocated by medical experts.

With regard to e-cigarette exposure in particular, the animal studies also suffer from methodological limitations. Unlike humans, laboratory animals are exposed to passive consumption of the e-cigarette aerosol while they are in a designated apparatus. During nasal inhalation, the animals inhale additional air particles that can affect the findings. Although the significance of this has not been adequately studied, it seems to be a methodological disadvantage of animal studies compared to studies in humans 32 . Another aspect to be considered in animal studies is that the development of the brain differs from that in the human body. In the human foetus, the developmental phase is completed in the third trimester, while in mice it continues into the postnatal period. Translated to the human body, the outcomes of animal studies on early postnatal phases are thus still the prenatal period in humans 32 .

Implications for future research and clinical practice

An increasingly harmonised methodological approach with, for example, coherent e-liquid exposure periods could lead to better inter-study comparisons. In animal model studies in particular, methodological approaches can be standardised, as exposure times and media can be applied uniformly. In human samples, however, this is limited. For future research, attention could be paid here to uniformly determine prevalences of e-cigarette vaping, as well as effects on affected offspring. Determination of the exact prevalences would require uniform definitions of vaping quantities such as small, moderate or large quantities and, at best, biomarker level measurements of the toxic substances. As in recent studies by Schilling et al 5 , the risk assessment of e-cigarette use could be examined by questionnaires. This could contribute to the formulation of adequate preventive measures.

It is also vital that the present findings of in vitro and animal studies be corroborated by studies in humans. This would simplify the comparison with traditional cigarettes regarding the effects on human offspring, and the effects of e-cigarette exposure could thus be more clearly assessed in the research context.

The current literature primarily depicts negative effects of nicotine as a component of e-cigarettes (e.g. 23 ). Due to the additional substrates and flavours, further research into their effects would also be essential. This is particularly important for adequate risk assessment of e-cigarette vaping during pregnancy.

In clinical practice, preventive information should be provided on the basis of current research findings about the numerous possible sequelae. During risk assessment and corresponding counselling of pregnant women, parallels to traditional cigarettes can also be pointed out, which are already known to be a foetotoxic substance with regard to nicotine. Here, it could be made clear that e-cigarettes can no longer be vaped as the safe alternative originally claimed, but rather that this has already been disproved by current research outcomes. This could be supported by drawing attention to the fact that health-related institutions such as the WHO also recommend against e-cigarette vaping during pregnancy. It should also be made clear that vaping should be discontinued if pregnancy is planned or possible, in order to avoid early abortions and sequelae in affected offspring. This could be provided within the framework of gynaecological and pregnancy screening by midwives and gynaecologists, as well as in the practice of other specialties in social and medical care.

Conclusion

Analysis of the current state of research highlights that a variety of effects of e-cigarettes and their ingredients on foetal development are known. However, outcomes to date are based solely on in vitro and animal studies, which cannot be translated in toto to humans. Studies in humans should be pursued in order to establish well-founded conclusions for the human body. In addition to a coherent methodological inter-study approach, future research on the substrates and flavours contained in the liquid of e-cigarettes should be pursued in order to identify their mode of action. There are already findings confirming that prenatal exposure to substrates and flavours without nicotine is harmful. Based on existing reviews in combination with the research outcomes, it can be concluded that prenatal exposure to e-cigarettes has a negative multifaceted impact. This paper complements previous reviews by providing a German-language version that addresses a broad spectrum of relevant healthcare professionals. So far, e-cigarette vaping and its consequences have not been part of pregnancy counselling. It is essential to provide more informed advice on current outcomes to healthcare professionals involved in supporting pregnant women, including midwives, psychologists and physicians. Such information should be shared with society in general. This can ensure that pregnant women receive comprehensive advice on e-cigarette vaping and its potential risks.

Acknowledgements

The project on which this review is based is funded by the German Federal Ministry of Education and Research under grant number 01NV1601C. The responsibility for the content of this publication lies with the authors. The project is co-financed by the City of Bremen and the Jacobs Foundation. We would like to express our gratitude to Prof. Dr. Michael Koch for important comments on the manuscript.

Danksagung

Das dieser Übersichtsarbeit zugrunde liegende Projekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01NV1601C gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autor/-innen. Kofinanziert wird das Projekt von der Stadtgemeinde Bremen und der Jacobs Foundation. Wir danken Prof. Dr. Michael Koch für wichtige Hinweise zum Manuskript.

Footnotes

Conflict of Interest/Interessenkonflikt The authors declare that they have no conflict of interest./Die Autorinnen/Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Supporting Information

10-1055-a-1524-5155-sup_gf.pdf (116.2KB, pdf)

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Einfluss pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die fetale Entwicklung: ein Überblick

Zusammenfassung

Seit der Markteinführung im Jahr 2007 gewannen E-Zigaretten an Popularität und galten als vergleichsweise sichere Alternative zu konventionellen Zigaretten. Insbesondere bei Schwangeren und bei Frauen im gebärfähigen Alter werden vermehrt E-Zigaretten konsumiert. Zu Auswirkungen pränataler Exposition auf den betroffenen Fetus ist bisher wenig bekannt. Das Ziel ist es, eine Übersicht zur aktuellen Forschungslage zum Thema Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition auf den Fetus zu geben. Aufgrund bisher fehlender Humanstudien bezieht sich diese Übersicht ausschließlich auf Tier- und In-vitro-Analysen. Für eine umfangreiche Literaturrecherche wurden die Datenbanken PubMed und Web of Science verwendet. Die Recherche resultierte in N = 17 relevanten Forschungsarbeiten. Folgeschäden, die durch die pränatale Exposition konventioneller Zigaretten entstehen können, zeigten sich auch bei pränataler E-Zigaretten-Exposition. Es konnte eine Assoziation zwischen pränataler E-Zigaretten-Exposition und einer global gesteigerten DNA-Methylierung festgestellt werden, was in einer geringeren Genexpression resultiert. Dies könnte besonders bei entwicklungsrelevanten Genen zu negativen Folgen für entsprechende Entwicklungsbereiche betroffener Kinder führen. So kam es bei Mäusen zu einer stark verminderten Zellvitalität von neuronalen und Stammzellen und zu vermehrtem Zelltod. Weiter führte die pränatale Exposition von E-Zigaretten zu einer Vielzahl von Entwicklungsstörungen, wie Fehlbildungen der Gesichtsmorphologie oder geringeres Geburtsgewicht. Zudem konnte im Tierexperiment eine Verschlechterung des Kurzzeitgedächtnisses bei den Tieren festgestellt werden. Aktivität und kognitive Flexibilität waren gesteigert, Angstverhalten vermindert. Es wird deutlich, dass mehr Forschungsarbeiten und insbesondere Humanstudien zu diesem Thema benötigt werden. Zudem bedarf es einer intensiveren Aufklärung des Fachpersonals der Schwangerschaftsbetreuung sowie der Frauen im gebärfähigen Alter und während der Schwangerschaft.

Schlüsselwörter: E-Zigarette, Schwangerschaft, fetale Entwicklung, Prävention


Abkürzungen

CDC

Centers for Disease Control and Prevention

CH 3

Methylgruppe

DNA

Deoxyribonucleic Acid (Desoxyribonukleinsäure)

E-Liquid

Elektro-Liquid

ENDS

Electronic Delivery Systems (elektronische Zigaretten)

E-Zigarette

elektronische Zigarette

Iba-1

Ionized Calcium-binding-Adapter Molecule 1

IFN-gamma

Interferon-gamma

IL

Interleukin

NHS

National Health Service

+Nik

nikotinhaltig

−Nik

nikotinlos

NPY

Neuropeptid Y

SIMH

stressinduzierte mitochondriale Hyperfusion

TNF-alpha

Tumornekrosefaktor-alpha

WHO

World Health Organization (Weltgesundheitsorganisation)

ZNS

Zentralnervensystem  

Einleitung

Die elektronische Zigarette (E-Zigarette) ist seit dem Jahr 2007 durch die Patentierung des chinesischen Pharmazeuten Hon Lik auf dem Markt erhältlich 1 . Sie ist ein batteriebetriebenes Gerät, das ein meist nikotinhaltiges Liquid erhitzt und vaporisiert, sodass es vom Konsumenten inhaliert werden kann. Weitere Zusatzstoffe können dabei Aromen und Trägerstoffe umfassen 2 . Die Folgen von pränataler E-Zigaretten-Exposition sind noch unzureichend erforscht. Primär fehlt es der aktuellen Literatur an Humanstudien, sodass Auswirkungen auf menschliche Nachkommen noch unbekannt sind.

Vergleichsweise sind Auswirkungen konventioneller Zigaretten in Form von Fehlgeburten, Totgeburten, späteren Erkrankungen der Atemwege, des kardiovaskulären Systems und Verhaltensauffälligkeiten anhand von Humanstudien belegt und bekannt 3 . Um diese Folgeschäden zu reduzieren, wurde die E-Zigarette ursprünglich als Übergangslösung und Ersatzprodukt konzipiert, um den Prozess der Entwöhnung konventioneller Zigaretten zu erleichtern 1 .

Etwa 14% von 2020 befragten Bürgern der Europäischen Union haben mindestens einmal in ihrem Leben E-Zigaretten probiert. Insgesamt 2% konsumierten regelmäßig E-Zigaretten. Die Nutzung von E-Zigaretten scheint, insbesondere unter jungen Menschen, zuzunehmen 4 . Vergleichsweise dazu haben 22% der Bürger bereits konventionelle Zigaretten in ihrem Leben konsumiert und 23% konsumierten diese regelmäßig. Die durchschnittliche Anzahl an konsumierten Zigaretten steigt hingegen mit zunehmendem Alter 4 . Die Mehrheit der weiblichen Konsumenten von E-Zigaretten befindet sich im gebärfähigen Alter 5 . Internationale Studien schätzen die Prävalenz von E-Zigaretten-Konsum während der Schwangerschaft aktuell auf 0,5 – 15% 6 ,  7 ,  8 . Schwangere begründen den Konsum von E-Zigaretten durch das Ziel, mit dem Rauchen konventioneller Zigaretten aufzuhören. Dieser Effekt ist allerdings nicht nachweisbar 9 .

Im Vergleich dazu werden die Prävalenzen des Konsums konventioneller Zigaretten während der Schwangerschaft global auf 1,7% geschätzt 10 . Anhand der steigenden Nutzung von E-Zigaretten unter Jugendlichen lässt sich vermuten, dass die Zahl der Konsumenten weiter ansteigen wird 4 .

Dessen ungeachtet wird im Rahmen ärztlicher Vorsorgeuntersuchungen während der Schwangerschaft der Konsum von E-Zigaretten seltener abgefragt als der von konventionellen Zigaretten. Zudem fördern öffentliche Werbekampagnen den Konsum. Dies verhindert nicht nur eine optimale Prävention zur Substanzreduktion, sondern trägt auch dazu bei, dass E-Zigaretten gesellschaftlich als sicherer eingestuft werden 8 . Dazu passend ergaben auch Analysen von Onlineforen, speziell für Schwangere, dass sich der Großteil der Nutzerinnen über Risiken bewusst war und generell gute Kenntnisse über die Funktionsweise von E-Zigaretten hatte, aber insgesamt E-Zigaretten als sicherer als herkömmliche Zigaretten eingestuft wurden 5 ,  11 . Das staatliche Gesundheitssystem Großbritanniens empfiehlt aktuell Raucherinnen, während der Schwangerschaft auf E-Zigaretten umzusteigen. Begründet wird dies mit dem Wegfall der teratogenen Stoffe Teer und Kohlendioxid beim Konsum von E-Zigaretten im Vergleich zu herkömmlichen Zigaretten 12 . Dieser Ansatz ist jedoch unter Fachleuten sowohl in Deutschland als auch international umstritten. In früheren Studien wurde E-Zigaretten-Konsum während der Schwangerschaft als besonders gefährlich eingestuft, da der Fetus nicht nur das Nikotin, sondern auch Schwermetalle und potenziell schädigende Chemikalien über den maternalen Blutkreislauf aufnimmt 13 . Ebenso wie bei dem Konsum konventioneller Zigaretten wirken sich die inhalierten Stoffe über die Plazenta direkt auf den Fetus aus 14 . International anerkannte Institutionen zur Förderung der öffentlichen Gesundheit, darunter die Weltgesundheitsorganisation (WHO), sprechen sich daher gegen den Konsum von E-Zigaretten während der Schwangerschaft aus 15 . Da die E-Zigarette ein relativ neues Produkt ist, sind die Auswirkungen der Nutzung während der Schwangerschaft auf das Ungeborene nur unzureichend untersucht. Vorherige Übersichtsarbeiten verdeutlichten die Notwendigkeit von Humanstudien, um Ergebnisse zu generieren, welche die genauen gesundheitlichen Folgeschäden pränataler E-Zigaretten-Exposition repräsentieren 7 ,  16 ,  17 ,  18 . Die steigende Nutzerzahl zeigt ebenfalls, dass ein genaueres Verständnis der Auswirkungen von E-Zigaretten auf die humane fetale Entwicklung weiterhin nötig und wichtig ist, um Schwangere besser informieren und Risiken für betroffene Ungeborene einschätzen zu können. Die folgende Arbeit gibt einen Überblick über die Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die fetale und postnatale Entwicklung anhand von Tiermodellen. Dadurch wird der aktuelle Stand der Forschung präsentiert, dieses Thema bleibt im Fokus und es wird weiter auf das Fehlen von Humanstudien aufmerksam gemacht.

Übersicht

Methodik

Strategie der Literatursuche

Für die Literaturrecherche zum Thema der Einflüsse pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die fetale Entwicklung wurden die Meta-Datenbanken PubMed und Web of Science genutzt. Diese Datenbanken wurden aufgrund ihrer Breite an Publikationen mit hoher wissenschaftlicher Relevanz sowie dem Fokus auf medizinische und biologische Inhalte ausgewählt. Durchgeführt wurde die Suche im Juni 2020 und aktualisiert im November 2020. Da ein Großteil der Publikationen zu dem adressierten Thema in englischer Sprache verfasst sind, wurden für die Suche ausschließlich englische Suchwörter genutzt.

Die Einschlusskriterien umfassten empirische Forschungsarbeiten die zwischen Januar 2010 und November 2020 publiziert wurden. Ausgeschlossen wurden Übersichtsarbeiten und Studien, die vor 2010 veröffentlicht wurden. Da die Markteinführung der E-Zigaretten auf das Jahr 2007 datiert wird, sind Veröffentlichungen vor 2010 nicht an die Funktionsweise der modernen Geräte angepasst und damit für diese Arbeit wenig aussagekräftig. Gleichzeitig wurde ein Zeitraum von 10 Jahren gewählt, um einen umfangreichen Überblick zu generieren.

Für die Suche wurde jeweils eine Kombination aus den folgenden 4 Suchwortkategorien (A – D) verwendet: A: Pregnancy, maternal, prenatal, offspring, fetal. B: E-cigarette, electronic cigarette, e-vapour, aerosol, electronic nicotine delivery systems, ENDS. C: Consumption, exposure. D: Development, effects, impact, growth, neurological, brain, cognitive, pulmonary, lung, respiratory. Nach Durchführung der Literatursuche und der Entfernung von Duplikaten wurden zuerst Titel und Zusammenfassungen aller gefundenen Artikel gelesen. Dadurch wurden Artikel ausgeschlossen, die offensichtlich nicht relevant für die aktuelle Fragestellung waren. Anschließend wurden die Volltexte der verbliebenen Artikel geprüft.

Extraktion der Daten

Insgesamt wurden 17 Studien identifiziert, die Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition auf den Fetus untersuchten. Die Informationen der einzelnen Studien wurde von einer Autorin (AGP) extrahiert und daraufhin durch eine weitere Autorin (PR) auf Richtigkeit und Vollständigkeit überprüft. Minimale Unstimmigkeiten wurden unter den Autorinnen diskutiert und gelöst. Die Tab. 1 bis 4 fassen die relevanten Informationen der einzelnen Studien zusammen. Alle 4 Tabellen geben Auskunft zu folgenden Aspekten der eingeschlossenen Studien: die Autoren, das Jahr der Veröffentlichung und die Region, in der die Forschungsarbeit durchgeführt wurde, die Art der Studie hinsichtlich der Modellorganismen (z. B. Versuchstiere), die Gesamtanzahl (N) der untersuchten Organismen, der Wirkstoff der Exposition sowie der Expositionszeitraum, untersuchte Messzeitpunkte, gemessene Outcomes und Hauptergebnisse.

Tab. 1  Tierexperimentelle Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen von pränataler E-Zigaretten-Exposition auf neurobiologische Marker.

Autor, Jahr (Region) Art der Studie N Wirkstoff Expositionszeitraum Messzeitpunkt Messungen Ergebnisse
PN = postnatal; ST = Schwangerschaftstag; kZ = konventionelle Zigaretten; DNA = Desoxyribonukleinsäure; KZG = Kurzzeitgedächtnis; k. A. = keine Angabe
Zahedi et al., 2019 (USA) in vitro 48 000 neuronale Stammzellen E-Zigaretten-Liquide mit Tabak- und Mentholaroma mit Nikotin Mauszellen wurden dem Aerosol für 2 – 24 Stunden ausgesetzt k. A. mitochondriale Anpassungsreaktionen als Reaktion auf oxidativen Stress zellulärer Stress durch E-Zigretten-Exposition
Sifat et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 121 Jungtiere E-Liquid mit 24 mg/ml Nikotin ST 5 bis PN Tag 7 PN Tag 8 – 9 und 40 – 45 Auswirkungen auf kortikale Zellen Zellvitalität vermindert. Verschlechterung von Gedächtnis, Lernen, motorischer Koordination
Zelikoff et al., 2017 (USA) Tierversuche (Mäuse) k. A. E-Liquid mit Tabak- und Mentholaromen und ohne Nikotin (13 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 28 Auswirkungen auf Zellen der Hippocampusregion verringerte Zellvitalität und erhöhtes Entzündungsgeschehen
Nguyen et al., 2018 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 24 Muttertiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 1, 20 und 84 neuroepigenetische und kognitive Veränderungen verstärkte DNA-Methylierung
Nguyen et al., 2019 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 24 Muttertiere E-Liquid mit Tabakaroma und 18 mg/ml Nikotin Gruppe A: kZ 9 Wochen vor Befruchtung, E-Liquid bis PN Tag 20
Gruppe B: E-Liquid Befruchtung bis PN Tag 20
PN Tag 1, 20, 84 und 91 neuroepigenetische Veränderungen und Auswirkungen auf Gedächtnis und Verhalten veränderte Genexpression und eingeschränktes KZG; erhöhtes Explorationsverhalten
Lauterstein et al., 2016 (USA) Tierversuche (Mäuse) 36 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (13 – 16 mg/ml) Befruchtung bis PN Tag 25 – 27 PN Tag 25 – 31 Auswirkungen auf Zellen des Frontalkortexes Veränderung des Transkriptoms im Frontalkortex
Church et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 135 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (16 mg/ml) Befruchtung bis ST 17 PN Tag 21, 56 und 84 Auswirkungen auf Neuroinflammation und Kognition erhöhte Inflammationswerte in einzelnen Hirnregionen sowie Veränderungen der kognitiven Fähigkeiten
Chen et al., 2018 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 8 Muttertiere E-Liquid mit Tabakaroma mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 20 Auswirkungen auf Neuroinflammation und Neurometabolismus erhöhte Inflammationswerte sowie erhöhte metabolische Prozesse

Tab. 4  Tierexperimentelle Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen von pränataler E-Zigaretten-Exposition auf Kognition und Verhalten.

Autor, Jahr (Region) Art der Studie N Wirkstoff Expositionszeitraum Messzeitpunkt Messungen Ergebnisse
PN = postnataler Tag; ST = Schwangerschaftstag; kZ = konventionelle Zigaretten; KZG = Kurzzeitgedächtnis; k. A.= keine Angabe
Sifat et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 121 Jungtiere E-Liquid mit 24 mg/ml Nikotin ST 5 bis PN Tag 7 PN Tag 8 – 9 und 40 – 45 Auswirkungen auf kortikale Zellen Verschlechterung von Gedächtnis, Lernen, motorischer Koordination.
Zellvitalität vermindert.
Nguyen et al., 2018 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 24 Muttertiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 1, 20 und 84 kognitive und neuroepigenetische Veränderungen Gesteigertes Neugierdeverhalten. Verminderte Objektwiedererkennung.
Nguyen et al., 2019 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 24 Muttertiere E-Liquid mit Tabakaroma und 18 mg/ml Nikotin Gruppe A: kZ 9 Wochen vor Befruchtung, E-Liquid bis PN Tag 20
Gruppe B: E-Liquid Befruchtung bis PN Tag 20
PN Tag 1, 20, 84 und 91 Auswirkungen auf Gedächtnis und Verhalten und neuroepigenetische Veränderungen Erhöhtes Explorationsverhalten. Teilweise geringe neuroepigenetische Veränderungen und eingeschränktes KZG.
Church et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 135 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (16 mg/ml) Befruchtung bis ST 17 PN Tag 21, 56 und 84 Auswirkungen auf Kognition und Neuroinflammation Veränderungen der kognitiven Fähigkeiten. Erhöhte Inflammationswerte in einzelnen Hirnregionen
Smith et al., 2015 (USA) Tierversuche (Mäuse) 28 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (24 mg/ml) ST 15 – 19 und PN Tag 2 – 16 PN Tag 98 kognitive Auswirkungen erhöhte motorische Aktivität und vermindertes Angstverhalten

Erfassung der Qualität und des Risikos für Bias

Die Qualität und die Bias-Bewertung für alle 17 Studien gemäß dem „OHAT Risk of Bias Rating Tool for Human and Animal Studies“ 19 ist in Tab.  S1 zusammengefasst. Dieses Tool wurde auf der Grundlage der neusten Leitlinien der Agentur für Forschung und Qualität im Gesundheitswesen 20 entwickelt und auf jede eingeschlossene Studie angewendet. Es wurde genutzt, um Aspekte wie die Randomisierung, Verblindung oder die selektive Berichterstattung der Ergebnisse zu bewerten (Tab.  S1 ). Entlang von 8 Fragen wurden die Studien 4-stufig eingeschätzt: „Definitely low risk of bias“, „Probably low risk of bias“, „Probably high risk of bias“, „Definitely high risk of bias“. Die Bewertung wurde von einem Autor (RK) durchgeführt und anschließend von einer weiteren Autorin (PR) auf Richtigkeit und Vollständigkeit überprüft. Im Folgenden werden die Bezeichnungen „+Nik“ und „−Nik“ verwendet, um anzuzeigen, ob ein verabreichtes Expositionsmedium Nikotin enthält (+Nik) oder kein Nikotin enthält (−Nik). Eine Bezeichnung von +/−Nik umfasst beide Gruppen. Diese Bezeichnungen erfolgen unabhängig von möglichen weiteren Zusatzstoffen, deren Auswirkungen in Abhängigkeit von +/−Nik untersucht werden können. Bei Kontrollgruppen handelt es sich um Tiere, die Raumluft ausgesetzt waren und keine der Bestandteile der E-Zigaretten inhalierten. Generell wird die Exposition der E-Zigaretten und deren Bestandteile in den aufgenommenen Studien über verschiedene, speziell dafür vorgesehene Boxen, in denen sich die Versuchstiere befinden, durchgeführt (siehe z. B. 12 ,  13 ).

Aufgrund fehlender Humanstudien umfasst diese Übersichtsarbeit ausschließlich Ergebnisse, die auf tierexperimentellen Untersuchungen basieren.

Ergebnisse

Im Rahmen der Literaturrecherche wurde festgestellt, dass zu den Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die fetale Entwicklung bisher ausschließlich auf tierexperimenteller Ebene geforscht wurde. Von den insgesamt eingeschlossenen Studien (N = 17) richtete der Großteil der Forschung den Fokus auf neurobiologische Auswirkungen (n = 8 Studien, Tab. 1 ) und auf Auswirkungen auf die Lunge und weitere Organsysteme (n = 8, Tab. 2 ). Letztere umfassen, neben Studien zu pulmonalen Folgen (n = 4 Studien), Studien zu kardiovaskulären Folgen (n = 2 Studien), gesichtsmorphologischen Folgen (n = 1 Studie) und renalen, die Niere betreffenden Folgen (n = 1 Studie). Von den insgesamt 17 Studien haben einige Studien zusätzlich über Ergebnisse hinsichtlich verschiedener Geburtsparameter (n = 12 Studien, Tab. 3 ) und Auswirkungen auf Kognition und Verhalten berichtet (n = 5 Studien, Tab. 4 ).

Tab. 2  Tierexperimentelle Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die Lunge und weitere Organsysteme.

Autor, Jahr (Region) Art der Studie N Wirkstoff Expositionszeitraum Messzeitpunkt Messungen Ergebnisse
PN = postnataler Tag; ST = Schwangerschaftstag; kZ = konventionelle Zigaretten; k. A.= keine Angabe
Nöel et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 183 Jungtiere E-Liquid mit Zimtaroma und 36 mg/ml Nikotin Gruppe A:12 Tage vor der Befruchtung bis ST 19
Gruppe B: Befruchtung bis ST19
PN Tag 1 und 28 Auswirkungen auf Lungengewebe und -funktion veränderte Lungenstruktur und Dysregulation des Wnt-Signalwegs
Chen et al., 2017 (Australien) Tierversuche (Mäuse) k. A. E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN20 PN Tag 1, 20 und 91 Auswirkungen auf epigenetische Prozesse im Lungengewebe veränderte DNA-Methylierung und proinflammatorische Zytokine in der Lunge unabhängig vom Nikotingehalt
McAlinden et al., 2017 (Australien) Tierversuche (Mäuse) k. A. Gruppe A: kZ und E-Liquid +Nik; Gruppe B: E-Liquid mit und ohne Nikotin Gruppe A: kZ bis Befruchtung E-Liquid bis Geburt
Gruppe B: E-Liquid Befruchtung bis PN1
k. A. Auswirkungen auf Lungengewebe und -funktion E-Zigaretten +Nik verstärkt allergisches Asthma.
Berkelhammer et al., 2019 (USA) in vitro Probe von pulmonalen Muskelzellen aromatisierte E-Liquide Exposition 1 h nach 24 h Inkubation Auswirkungen auf Muskelzellen der Lunge Neonatale Zellen zeigen starke Sensibilität für Toxizität der E-Liquide. Aromen führen vermehrt zum Zelltod.
Kennedy et al., 2017 (USA) Tierversuch (Krallfrösche) k. A. E-Liquide mit und ohne Aroma und Nikotin Zeitraum der embryonalen Entwicklung PN Tag 1 Auswirkungen auf Gesichtsmorphologie E-Liquid-Konsum führt zu kraniofazialer Deformation. Verstärkt wird diese durch Nikotin und Aromen.
Orbazal et al., 2019 (USA) Tierversuch (Mäuse) k. A. E-Liquid mit und ohne Nikotin (100 mg/ml) ST 5 – PN10 PN Tag 10 Auswirkungen auf Geburtsparameter E-Liquid +Nik führt zu eingeschränktem Wachstum und verminderter Blutversorgung.
Palpant et al., 2015 (USA) Tierversuch (Zebrafische) k. A. E-Liquid +Nik 3 Tage pränatal nach der Exposition Auswirkungen auf das kardiovaskuläre System Herzfehlbildungen, verminderte Herzfunktion und Perikardergüsse
Li et al., 2019 (Australien) Tierversuch (Mäuse) 143 E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) Gruppe A: E-Liquid 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20
Gruppe B: kZ 6 Wochen vor Befruchtung, dann E-Liquid bis PN Tag 20
PN Tag 1 und 20 Auswirkungen auf das Nierengewebe Dauerhafte Exposition von E-Liquid führt unabhängig vom Nikotingehalt zu oxidativem Stress, Inflammation sowie Fibrosierung im Nierengewebe.

Tab. 3  Tierexperimentelle Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen von pränataler E-Zigaretten-Exposition auf Geburtsparameter.

Autor, Jahr (Region) Art der Studie N Wirkstoff Expositionszeitraum Messzeitpunkt Messungen Ergebnisse
PN = postnataler Tag; ST = Schwangerschaftstag; kZ = konventionelle Zigaretten; k. A.= keine Angabe
Church et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 135 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (16 mg/ml) Befruchtung bis ST 17 PN Tag 21, 56 und 84 Auswirkungen auf Geburtsparameter keine Auswirkungen auf Wurfgröße und Geburtsgewicht
Nguyen et al., 2019 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 24 Muttertiere E-Liquid mit Tabakaroma und 18 mg/ml Nikotin kZ 9 Wochen vor Befruchtung, E-Liquid bis PN Tag 20 PN Tag 1, 20, 84 und 91 Auswirkungen auf Geburtsparameter Keine Auswirkungen auf Wurfgröße, Überlebensfähigkeit. Reduziertes Geburtsgewicht.
Nöel et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 183 Jungtiere E-Liquid mit Zimtaroma und 36 mg/ml Nikotin Gruppe A:12 Tage vor Befruchtung bis ST 19; Gruppe B: Befruchtung bis ST19 PN Tag1 und 28 Auswirkungen auf Geburtsparameter keine Auswirkungen auf Wurfgröße, E-Liquid +Nik führt zu verringerter Körpergröße und Geburtsgewicht
Sifat et al., 2020 (USA) Tierversuche (Mäuse) 121 Jungtiere E-Liquid mit 24 mg/ml Nikotin ST 5 bis PN Tag 7 PN Tag 8 – 9 und 40 – 45 Auswirkungen auf Geburtsparameter keine Auswirkungen auf Wurfgröße, E-Liquid +Nik führt zu verringertem Geburtsgewicht
Palpant et al., 2015 (USA) Tierversuch (Zebrafische) k. A. E-Liquid +Nik 3 Tage pränatal PN Tag 1 – 3 Auswirkungen auf Geburtsparameter E-Liquid +Nik verringert die Überlebensfähigkeit der Neugeborenen
Nguyen et al., 2018 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 24 Muttertiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 1, 20 und 84 Auswirkungen auf Geburtsparameter keine Auswirkungen von E-Zigaretten-Konsum auf das Gewicht oder die Sterblichkeit
Chen et al., 2017 (Australien) Tierversuche (Mäuse) k. A. E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 1, 20, 91 Auswirkungen auf Geburtsparameter keine Auswirkungen auf Geburtsgewicht und Organgewicht, Veränderung der Fettverteilung
Chen et al., 2018 (Australien) Tierversuche (Mäuse) 8 Muttertiere E-Liquid mit Tabakaroma mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20 PN Tag 20 Auswirkungen auf Geburtsparameter Veränderung der Fettverteilung, keine Veränderungen des Geburtsgewichts
Lauterstein et al., 2016 (USA) Tierversuche (Mäuse) 36 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (13 – 16 mg/ml) Befruchtung bis PN Tag 25 – 27 PN Tag 25 – 31 Auswirkungen auf Geburtsparameter keine Auswirkungen von E-Zigaretten-Konsum wurden beobachtet.
Li et al., 2019 (Australien) Tierversuch (Mäuse) 143 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (18 mg/ml) Gruppe A: E-Liquid 6 Wochen vor Befruchtung bis PN Tag 20
Gruppe B: kZ 6 Wochen vor Befruchtung, dann E-Liquid bis PN Tag 20
PN Tag 1, PN Tag 20 Auswirkungen auf Geburtsparameter E-Liquid führt zu verringertem Geburtsgewicht und zu keinen Veränderungen des Nierengewichts.
Smith et al., 2015 (USA) Tierversuche (Mäuse) 28 Jungtiere E-Liquid mit und ohne Nikotin (24 mg/ml) ST 15 – 19 und PN Tag 2 – 16 PN Tag 98 Auswirkungen auf Geburtsparameter verringertes Geburtsgewicht (E-Liquid-Nik < E-Liquid+Nik < Kontrollgruppe)
Orbazal et al., 2019 (USA) Tierversuch (Mäuse) k. A. E-Liquid mit und ohne Nikotin (100 mg/ml) ST 5 – PN10 PN Tag 10 Auswirkungen auf Geburtsparameter verringertes Geburtsgewicht und Körpergröße bei E-Liquid +Nik

Die eingeschlossenen Studien waren insgesamt von ausreichender Qualität, und das Bias-Risiko war gering. Von N = 17 Studien ist bei n = 10 Studien definitiv und bei n = 6 Studien wahrscheinlich davon auszugehen, dass die pränatale Exposition ausreichend randomisiert stattfand. Nur 1 Studie wies hinsichtlich dieses Aspektes ein wahrscheinlich hohes Bias-Risiko auf, was bei der Interpretation der Ergebnisse entsprechender Berücksichtigung bedarf. Bezüglich des Aspektes, dass die experimentellen Bedingungen in allen Studiengruppen identisch waren, wiesen n = 14 Studien ein definitiv geringes und 3 Studien ein wahrscheinlich geringes Bias-Risiko auf. In allen 17 Studien wurde ein definitiv geringes Bias-Risiko hinsichtlich der angemessenen Berichterstattung der Resultate gewertet. Weitere Aspekte und detailliertere Informationen sind Tab.  S1 zu entnehmen. Unterschiede in der Studienqualität und dem Bias-Risiko können z. B. durch Unterschiede im Studiendesign oder unterschiedliche Erhebungsmethoden erklärt werden.

Neurobiologische Marker

Die aus Tab. 1 zu entnehmenden Veröffentlichungen zu den Auswirkungen auf neurobiologische Marker betreffen die neuronale Zellvitalität, neuroepigenetische Veränderungen, Neuroinflammation und Neurometabolismus.

In den In-vitro-Untersuchungen von Zahedi et al. (2019) wurden neuronale Stammzellen von Mäusen 24 Stunden dem Aerosol von E-Zigaretten +Nik mit unterschiedlichen Aromen ausgesetzt. Stammzellen können sich in jeden Zelltyp entwickeln 24 und sind elementar für die Erneuerung und Reparatur von Geweben, die Organbildung oder den Erhalt der Homöostase 23 . Neuronale Stammzellen sind nachweislich empfindlich gegenüber toxischen Stoffen, wie z. B. dem Nikotin. Sie sind deshalb gut geeignet, um die Sicherheit von Stoffen wie E-Liquid zu testen 23 . Die nikotinhaltigen Aerosole führten zu stressinduzierter mitochondrialer Hyperfusion (SIMH 23 ). Hierbei schwellen die Mitochondrien der neuronalen Stammzellen an und fusionieren zu langen fadenförmigen Mitochondrien. Durch den hohen Nikotinspiegel werden Ionenkanäle in der Membran neuronaler Stammzellen verstärkt geöffnet und Kalzium sowie andere Ionen strömen in großer Menge in die Zellen ein. Der hohe intrazelluläre Kalziumspiegel führt zu einem Kalziumeinstrom in die Mitochondrien. In den Mitochondrien wirkt zu viel Kalzium toxisch. Die SIMH kann als ein Schutzmechanismus als Antwort auf den durch den hohen Nikotinspiegel herbeigeführten zellulären Stress gesehen werden 25 . Außerdem führte der Versuch von Zahedi et al. zu mitochondrialem oxidativem Stress 23 . Oxidativer Stress kann u. a. zu Desoxyribonukleinsäure-(DNA-)Strangbrüchen, zur Inaktivierung von Enzymen und zur Schädigung vulnerabler Nervenzellen führen 26 . Mitochondriale Matrixproteine sind besonders anfällig für oxidativen Stress. Ihre Reaktion hat negative Auswirkungen auf die Atmungskette und daher lassen die Ergebnisse die Gefahr eines Energiemangels bei Feten, deren Mütter E-Zigaretten nutzen, vermuten 27 . Weiterhin konnte in der Studie von Zahedi et al. (2019) gezeigt werden, dass das Nikotin einen intrazellulären Kalziumüberschuss hervorruft, der zu schwerwiegenden Folgen, wie dem Riss der Zellmembranen, führen kann 23 . Die Auswirkungen des E-Liquid-Aerosols auf die neuronalen Stammzellen scheinen daher durch das Nikotin und nicht durch die Aromen oder die Trägerstoffe des E-Liquids bedingt zu sein 23 . Sifat et al. (2019) untersuchten die Auswirkungen von E-Zigaretten-Aerosol +Nik auf kortikale Zellen in Mäusen. Insgesamt wurde ein verminderter neuronaler Stoffwechsel festgestellt. Dies zeigte sich anhand einer verminderten Glukoseaufnahme, einer verminderten Expression von Glukosetransportern, einem verminderten Adenosintriphosphat-Gehalt sowie einem geringeren mitochondrialen Membranpotenzial 22 . Die E-Zigaretten-Exposition führte zudem zu einer verminderten Zellvitalität und einer erhöhten DNA-Schädigung 22 . Weiter zeigten die Forscher eine durch pränatale E-Zigaretten-Exposition +Nik bedingte, erhöhte Sensibilität der Mäuse für postnatale hypoxisch-ischämische Hirnverletzungen, die auch bei Neugeborenen durch eine unzureichende Sauerstoffversorgung entsteht. Auch im Hippocampus wurden Auswirkungen auf die Zellvitalität festgestellt. Bestimmte Nervenwachstumsfaktoren waren nach pränatalem E-Zigaretten-Konsum +Nik sowie −Nik gesenkt. Dies kann zu Wachstumsstörungen und einer eingeschränkten Funktionsweise des Hippocampus führen 22 . Dazu passend traten vermehrt langfristige Defizite der räumlichen Aneignung und des Referenzgedächtnisses auf 22 . Die Epigenetik beschreibt Modifikationen der Genaktivität, die u. a. durch Umwelteinflüsse, wie z. B. der Konsum toxischer Substanzen, entstehen und zu einer Änderung des Phänotyps führen können 28 . Die DNA-Methylierung ist ein epigenetischer Mechanismus, bei dem durch DNA-Methyltransferasen eine Methylgruppe (CH 3 ) an die Cytosin-Base eines DNA-Nukleotids angehängt wird. Methylierte Cytosine führen zur Inaktivierung des Gens. Betrachtet man die neuronale Entwicklung, hat die DNA-Methylierung Einfluss darauf, wann welche Gene exprimiert oder stillgelegt werden. Eine verstärkte Methylierung kann beispielsweise dazu führen, dass bestimmte Gene nicht exprimiert werden und dadurch die Hirnentwicklung beeinflusst wird 28 . An Mäusen konnte gezeigt werden, dass pränatale E-Zigaretten-Exposition +/−Nik vorübergehend zu einer signifikant verstärkten DNA-Methylierung in den Hirnzellen führten 29 . Im Vergleich zur Exposition mit konventionellem Zigarettenrauch zeigte sich in Mäusen, deren Exposition intrauterin von Zigarettenrauch auf E-Zigaretten +Nik wechselte, jedoch ein deutlich geringerer Grad an DNA-Methylierung. Es scheint, dass DNA-Methylierung stark mit der Exposition von konventionellem Zigarettenrauch korreliert 21 . Zudem wurde auch die Expression der Gene untersucht, die für die Enzyme kodieren, welche die DNA-Methylierung regulieren. Dabei wurde festgestellt, dass diese Gene unter dem Einfluss von E-Zigaretten −Nik ein Abweichungsmuster gegenüber der Kontrollgruppe aufzeigten, das größer ist als das gegenüber den E-Zigaretten +Nik 29 . Die unterschiedliche Genexpression betraf darüber hinaus auch Gene, die für mitotische Kinasen kodieren und eine wichtige Rolle beim Zellwachstum spielen. Auch in diesen beiden Fällen war die Abweichung kleiner als unter konventioneller Nikotinexposition 21 . Ein weiterer Ansatz zu epigenetischen Auswirkungen von E-Zigaretten ist die Analyse des Transkriptoms. Unter dem Transkriptom versteht man die Gesamtheit der Gene, die zu einem gegebenen Zeitpunkt in der Zelle transkribiert werden 28 . Die Transkription ist ein wichtiger Teilprozess der Genexpression, die den Einfluss des Genoms auf den Phänotyp bestimmt. Lauterstein et al. (2016) konnte anhand eines Mausmodells zeigen, dass pränatale E-Zigaretten-Aerosol-Exposition sowohl +Nik als auch −Nik zu Veränderungen des Zentralnervensystem-(ZNS-)Transkriptoms führt. Dies betraf primär Zellen des frontalen Kortexes im Vergleich zu Mäusen der Kontrollgruppe, die nur Luft inhalierten 30 . Mithilfe von Datenbanken ist es möglich, die Genveränderungen mit Genprofilen, die mit einzelnen Krankheiten, Entwicklungsstörungen oder allgemeinen Funktionseinschränkungen korrelieren, zu vergleichen. Diese Analyse ergab, dass vermutlich Verminderungen der Merkfähigkeit, der Kognition, der Lernfähigkeit sowie eine schlechtere Neurotransmission aus den oben genannten Veränderungen resultieren können. Zudem konnten nach der Geburt Korrelationen zwischen der Aerosolexposition und erhöhter Hyperaktivität, vermehrter Emotionalität sowie Krampfanfällen beobachtet werden. Auch neuronale Wachstumsstörungen konnten mit dem veränderten ZNS-Transkriptom in Verbindung gebracht werden. Besonders auffällig waren hier Einschränkungen des Dendritenwachstum, der Neuronendichte und ein verstärkter Zelltod 30 .

Unter Neuroinflammation versteht man die Entzündung von Nervengewebe. In der Regel wird damit eine chronische Entzündung des ZNS beschrieben. Entzündungen entstehen als Immunreaktion auf einen schädigenden Reiz, mit dem Ziel, diesen zu beseitigen. Auf molekularer Ebene spielen bei Entzündungsreaktionen sogenannte Entzündungsmediatoren eine große Rolle. Sie können inflammatorische Prozesse einleiten, verstärken und aufrechterhalten, um so einem schädigenden Reiz wie E-Zigaretten-Aerosol oder Nikotin entgegenzuwirken. Sie wirken also proinflammatorisch 31 . Je nach Lage können Entzündungsprozesse eine Vielzahl von psychologischen, immunologischen, physiologischen oder biochemischen Folgen haben 31 . Im Hippocampus und im Diencephalon konnten einzelne Veränderungen der Entzündungsmediatoren durch pränatale E-Zigaretten-Exposition +Nik detektiert werden 32 . Im Vergleich zur Kontrollgruppe konnte eine Senkung des Interferon-gamma-Wertes (IFN-gamma) im Hippocampus weiblicher Nachkommen festgestellt werden. Des Weiteren wurde eine Senkung von IFN-gamma und dem Zytokin der Interleukinfamilie IL-4 im Diencephalon in Nachkommen beider Geschlechter gefunden 32 . Es wird angenommen, dass diese Verringerung der Immunsignale auf die gut dokumentierten immunsuppressiven Wirkungen von Nikotin auf das Zentralnervensystem zurückzuführen ist 33 . Außerdem könnte dies die Fähigkeit von Nikotin widerspiegeln, die Reifung und Funktion von T-Lymphozyten durch Aktivierung des Acetylcholin-Rezeptors zu hemmen. T-Zellen sind spezielle Lymphozyten, die eine wichtige Rolle bei der Induktion der Immunantwort spielen, wobei deren Differenzierung u. a. durch IL-4-Zytokine induziert wird 32 . Im Hippocampus und im frontalen Kortex konnte darüber hinaus eine Erhöhung des sogenannten „ionized calcium-binding-adapter molecule 1“ (Iba-1) für die Gruppe der pränatalen E-Zigaretten-−Nik-Exposition beobachtet werden 34 . Dabei handelt es sich um ein Protein, das nach Nervenverletzungen, neuronalen Ischämien und Hirnverletzungen hochreguliert ist. Als bemerkenswert angesehen wurde, dass die Senkung von Iba-1 nur für die Gruppe −Nik galt. Dies implizierte, dass in der Gruppe −Nik erhöhte Entzündungswerte vorlagen, die im weiteren Verlauf zu Schäden der neuronalen Entwicklung führen können 34 . Regionsunspezifisch konnte festgestellt werden, dass die pränatale Exposition gegenüber E-Zigaretten −Nik die Konzentration von induzierbarer Stickstoffmonoxid-Synthase (NO-Synthase) bei betroffenen Nachkommen steigerte. Eine gesteigerte NO-Synthase kann zur Dysregulation von Gehirnregulationswegen in Form von oxidativem Stress führen, wodurch es zu Schädigungen des ZNS kommen kann 35 .

Ein Aspekt, der mit Tabakkonsum häufig in Verbindung gebracht wird, ist die Appetithemmung. Kinder, die pränatal Tabak ausgesetzt wurden, zeigten eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, während der Kindheit Übergewicht zu entwickeln, was auf die Effekte des Tabakentzugs zurückgeführt werden könnte 36 . In einer Studie wurde untersucht, ob sich diese Ergebnisse auch auf den Konsum von E-Zigaretten übertragen lassen. In Mäusen konnte ein erhöhtes Auftreten des Neuropeptids Y (NPY) durch mütterliche Exposition von E-Liquid −Nik beobachtet werden 35 . NPY wird im Hypothalamus produziert und gilt als Appetitstimulator. Ein erhöhtes Auftreten bei betroffenen Nachkommen kann also zu Gewichtszunahme, gegebenenfalls sogar zu Adipositas führen. Die Einnahme von Aerosol +Nik wirkte diesem Effekt entgegen. In den Nachkommen dieser Testgruppe konnten im Vergleich zu der Testgruppe, die Aerosol −Nik verabreicht bekam, postnatal keine Veränderungen der Hunger-Reaktionswege festgestellt werden. Nachkommen, die pränatal −Nik Aerosolen ausgesetzt waren, zeigten hingegen Adiposität 35 . Diese Ergebnisse deuten an, dass Aerosol und dessen chemische Bestandteile Auswirkungen auf zerebrale metabolische Prozesse zu haben scheinen. E-Zigaretten-Exposition −Nik scheint somit nicht risikofrei zu sein.

Lunge und weitere Organsysteme

Veröffentlichungen zu den Auswirkungen auf die Lunge und weiterer Organsysteme sind Tab. 2 zu entnehmen. Zu den Auswirkungen auf die Lunge konnten 4 Studien gefunden werden. Diese beziehen sich auf anatomische und funktionale Auswirkungen, Entzündungsprozesse und Epigenetik des Lungengewebes. Weitere Auswirkungen umfassen Ergebnisse zu kardiovaskulären sowie renalen Folgen und gesichtsmorphologischen Veränderungen.

Eine Studie zeigte, dass physiologische Prozesse, welche die Entwicklung der Lunge steuern, bei Nachkommen von Tieren, die E-Zigaretten +Nik vor der Befruchtung und ab der Befruchtung, ausgesetzt waren, herunterreguliert waren 37 . Es ist bekannt, dass dies dazu führen kann, dass sich die Lunge weniger differenziert entwickelt und ein höherer Anteil an Bindegewebe entsteht. Dies führt zu einer Einschränkung der Lungenfunktion 38 . Des Weiteren zeigte sich in Nachkommen, deren Mütter vor der Befruchtung E-Zigaretten +Nik ausgesetzt waren, zusätzlich eine erhöhte Elastizität der Lunge im Vergleich zur Kontrollgruppe. Abweichungen der Elastizität und somit die hier beobachtete erhöhte Elastizität führen zu einer erschwerten Atemtätigkeit und können Folgeerkrankungen der Lunge begünstigen 37 . Die Ergebnisse einer weiteren Studie zeigen, dass sowohl bei E-Zigaretten-Exposition +Nik als auch −Nik bestimmte Wachstumsfaktoren im Lungengewebe betroffener Nachkommen erhöht sind und DNA-Methylierungsprozesse Veränderungen aufweisen 39 . Morphometrische Analysen zeigten außerdem, dass pränatale E-Zigaretten-Exposition +Nik in der neonatalen Lunge zu vermehrten Rissen des Lungengewebes führt 37 . In-vitro-Analysen zu den Auswirkungen von verschiedenen aromatisierten E-Liquiden auf fetale und neonatale Lungenzellen der Maus zeigten, dass unterschiedliche Aromen stark variierende Zellreaktionen hervorrufen. Während die reinen Trägerstoffe keine Auswirkungen auf die Zellen zeigten, wurde in Verbindung mit Menthol- und Erdbeeraroma ein erhöhter Zelltod beobachtet 40 . Menthol verursachte zudem eine Erweiterung der Bronchien 40 . Die Erweiterung der Bronchien bedingt bei Tieren und Menschen eine insgesamt angenehmere Wahrnehmung von Atemvorgängen, sodass Symptome von Lungenerkrankungen deutlich verzögert wahrgenommen werden können 41 . Durch die Erweiterung der Bronchien wird zudem der Effekt des Passivrauchens für Neugeborene und Kleinkinder in der Nähe von E-Zigarettendämpfen verstärkt. Dies führt zu einer höheren Konzentration der Aromen, Trägerstoffen und ggf. Nikotin in der jungen, sich noch entwickelnden Lunge 40 .

Weitere Ergebnisse zeigten Anzeichen, dass sowohl bei Jungtieren, deren Muttertiere pränatal als auch bereits vor der Befruchtung E-Zigaretten +Nik exponiert worden waren, mehrere inflammationsregulierende Gene verändert waren 37 . Diese Ergebnisse zeigten Anzeichen auf eine antiinflammatorische Wirkung von E-Zigaretten +Nik. Ebenso zeigten die Ergebnisse, dass auch die Exposition von E-Zigaretten +Nik vor der Befruchtung Auswirkungen auf den Nachwuchs haben können. Diese zeigten sich sowohl auf molokularer als auch auf anatomischer Ebene in Form von herunterregulierten Genen, welche die Funktion der Lunge unterstützen, und einer Erhöhung des Lungengewebes. Dies kann zu Lungenunreife und späteren Lungenerkrankungen führen 37 . Es ist bekannt, dass bestimmte proinflammatorische Zytokine bei Asthmapatienten und Patienten mit chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen erhöht auftreten. Hierzu gehören die Interleukine 1β, 3, 4, 5, 6, 13 sowie der Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-alpha 39 ). Messungen direkt nach der Geburt konnten zeigen, dass Jungtiere nach pränataler E-Zigaretten-Exposition −Nik eine erhöhte Expression der Interleukine 5 und 13 sowie von TNF-alpha zeigten 39 , was auf eine erhöhte Neigung zu asthmatischen Störungen hindeuten könnte. Dazu passend wurde in einer weiteren Studie getestet, inwieweit pränatale E-Zigaretten-Exposition Asthma auslöst 42 . Jungtiere, die prä- und postnatal E-Zigaretten-Aerosol +/−Nik ausgesetzt waren, wurden innerhalb eines Allergieexpositionsmodells auf ihre Lungenfunktionen und den Grad der Entzündungsreaktion getestet. Dabei wurde bei der +Nik Gruppe eine besonders hohe Empfindlichkeit auf Allergene und ein erhöhter Atemwegswiderstand gemessen. Beides kann eine Asthmasymptomatik provozieren. Die gleichen Ergebnisse konnten bei Jungtieren gemessen werden, deren Mütter vor der Befruchtung konventionellen Zigaretten und nach der Befruchtung E-Zigaretten +Nik ausgesetzt waren. Als Ursache dafür wurde ein erhöhter mitochondrialer Sauerstoffverbrauch vermutet. Dies deutet auf geschädigte Mitochondrien mit resultierendem Gewebsuntergang hin, der zu erhöhter Fibrosierung führt 42 .

Bei den Untersuchungen von Chen et al. (2017) konnte an Tag 1 nach der Geburt bei Mäusen der Gruppe −Nik eine 3-mal höhere DNA-Methylierung festgestellt werden als in der Kontrollgruppe. Die Gruppe +Nik zeigte ebenfalls eine Erhöhung der DNA-Methylierung im Vergleich zur Kontrollgruppe, die jedoch weniger ausgeprägt war als die der Gruppe −Nik. Dies spricht für eine Veränderung der Genaktivität, wobei weitere Studien zeigen müssen, welche Gene betroffen sind 39 .

Kardiovaskuläres Organsystem

Untersuchungen an Nachkommen von Tieren, die von der Befruchtung bis zum Ende der Stillzeit E-Zigaretten-Aerosolen mit oder ohne Nikotin ausgesetzt waren, zeigten keine Veränderungen der Herzfrequenz. In der Gruppe mit E-Zigaretten +Nik wurde jedoch ein verminderter Blutfluss durch 2 Arterien, die den Fetus mit sauerstoffreichem Blut versorgen, festgestellt 43 . In neugeborenen Zebrafischen führte pränatale Exposition gegenüber E-Liquid +Nik zu schweren Herzfehlbildungen, verminderter Herzfunktion sowie zu Perikardergüssen 44 . Letzteres umfasst eine Flüssigkeitsansammlung im Herzbeutel, die zu der Reduktion des Herzminutenvolumens führt 45 . Es wurde zudem eine verminderte Expression kardialer Transkriptionsfaktoren gefunden. Dies führt zu einer verzögerten Differenzierung und Entwicklung der Herzzellen, wodurch es zu Herzfehlern kommen kann. In den Herzmuskelzellen wurde zusätzlich eine reduzierte Expression der Gene, die Muskelbestandteile kodieren, festgestellt 46 . Dies resultiert in einer verringerten Anzahl an kontraktilen Einheiten des Muskels. In der Folge können sich die Herzmuskelzellen nur eingeschränkt entwickeln und der Herzmuskel wird weniger leistungsfähig 47 .

Renales Organsystem

Pränatale E-Zigaretten-Exposition führte laut einer Analyse mit Mäusen zu einer geringeren Dichte an Nierenkörperchen bei betroffenen Nachkommen. Dieser Befund indiziert, dass die Niere weniger weit entwickelt ist und die Nierenfunktionen, darunter die Filterfunktion, die Regulation von Wasser-, Nährstoff- und Elektrolythaushalt sowie des Blutdrucks, eingeschränkt sind 48 . Das oxidative Stresslevel in Zellen der Niere war nur bei Jungtieren, deren Mütter E-Zigaretten −Nik ausgesetzt waren, erhöht 48 . Darüber hinaus war das Entzündungsgeschehen in der Niere in allen Jungtieren, die pränatal E-Zigaretten ausgesetzt waren, erhöht. Eine anhaltende Entzündungsreaktion führt zu zunehmender Vernarbung und Fibrosierung, also dem Ersatz von funktionellem Gewebe durch Bindegewebe. Trotz der erhöhten Expression auf Genebene war insgesamt jedoch kein verstärktes Auftreten von Bindegewebe feststellbar. Allerdings gilt dies nur für die Jungtiere und verhält sich in weiter fortgeschrittenen Entwicklungsphasen gegebenenfalls anders 48 .

Gesichtsmorphologische Veränderungen

Eine Forschungsarbeit analysierte Auswirkungen von pränataler E-Zigaretten-Exposition auf die kraniofaziale Morphologie von Krallenfröschen. Getestet wurden reine E-Liquide mit unterschiedlich hohen Nikotinkonzentrationen und 6 im Handel erhältliche aromatisierte E-Liquide mit untereinander vergleichbarer Nikotinkonzentration 49 . Die Analyse zeigte, dass die Exposition des reinen E-Liquids mit allen Nikotinkonzentrationen zu Veränderungen führte. Beobachtet werden konnten rundere Münder sowie enger zusammenliegende Augen. Die Veränderungen waren deutlicher in der Gruppe, deren Müttern das E-Liquid mit der höchsten Nikotinkonzentration (24 mg/ml) verabreicht wurde 49 . Vier der 6 handelsüblichen Liquide führten vergleichbar zu unbedeutsamen Veränderungen der Gesichtsmorphologie. Zwei E-Liquide führten jedoch zu signifikanten Veränderungen hinsichtlich hervorstehender Augen, einem schmaleren Mittelgesicht und einem runderen, schmaleren Mund mit einer dreiecksförmigen Oberlippe. Die signifikanten Unterschiede können nicht durch einen höheren Nikotingehalt erklärt werden, da alle 6 Liquide einen vergleichbaren Nikotingehalt hatten 49 . Auch die Exposition mit diesen 2 Liquiden −Nik führte zu einer signifikanten Gesichtsdeformation, wenn auch geringfügiger als durch die Exposition zu einem Liquid mit einem hohem Nikotingehalt 49 .

Geburtsparameter

Im Folgenden werden die Auswirkungen pränataler Exposition von E-Zigaretten auf Geburtsparameter wie das Geburtsgewicht oder die Wurfgröße betroffener Nachkommen angegeben. Von den insgesamt 17 untersuchten Veröffentlichungen haben 12 Hinweise zu diesen Parametern gegeben, die Tab. 3 zu entnehmen sind.

In 4 der 17 untersuchten Studien konnten weder Totgeburten noch eine erhöhte infantile Sterblichkeit beobachtet werden 21 ,  22 ,  29 ,  32 ,  37 . Dies bezieht sich sowohl auf maternale pränatale E-Zigaretten-Exposition ab dem Zeitpunkt der Befruchtung als auch auf die beider Elternteile Wochen vor der Befruchtung. Untersuchungen beim Zebrafisch konnten in der Gruppe E-Liquid +Nik allerdings eine verminderte Überlebensrate innerhalb der ersten 72 Stunden feststellen 46 .

Mehrmals wurde ein reduziertes Geburtsgewicht in Verbindung mit +Nik pränataler E-Zigaretten-Exposition gebracht 21 ,  22 ,  37 ,  43 ,  48 . In einer Studie waren die Muttertiere vor der Geburt konventionellem Tabak ausgesetzt 21 . Gegen die Vermutung, dass das Geburtsgewicht vor allem durch einen hohen Nikotingehalt gesenkt wird, sprechen die Ergebnisse von Smith et al. (2015). In dieser Studie führte die pränatale Exposition von +Nik und −Nik zu einer Reduktion des Geburtsgewichts, wobei dieser Effekt für −Nik gegenüber +Nik sogar verstärkt war 21 . Gewichtsmessungen im Erwachsenenalter ergaben jedoch einheitlich, dass sich jegliche Geburtsgewichtsunterschiede im späteren Leben normalisieren 21 ,  22 ,  32 ,  39 . Neben dem Körpergewicht wurde auch das Gewicht der Leber und Nieren gemessen. Die Messung 1 Tag nach der Geburt ergab keine Unterschiede des Lebergewichts zwischen den Testgruppen. Im Alter von 20 Tagen ergaben Messungen, dass passive prä- und postnatale E-Zigaretten-+Nik-Aerosol-Exposition mit einem höheren Lebergewicht, prozentual zum Körpergewicht, korrelierten. Im Erwachsenenalter wurde bei den Nachkommen der Gruppe mit E-Liquid −Nik, verglichen mit der Kontroll- und E-Liquid-+Nik-Gruppe, ein signifikant vermindertes Lebergewicht festgestellt 35 . Pränatale Exposition gegenüber E-Zigaretten +Nik zeigte zu keinem Zeitpunkt eine Veränderung des Nierengewichts 48 .

Die Verteilung der Fettspeicher wird in Tierstudien oft untersucht, da sie Auskunft über Anzeichen von Adiposität gibt 48 . Messungen im Alter von 1 Tag ergaben keine Unterschiede der Fettverteilung zwischen den Testgruppen 50 . Bei 20 Tage alten Mäusen, die pränatal der E-Liquid-Gruppe −Nik zugeordnet wurden, ergaben Messungen einen erhöhten Abdominalfettwert 39 . Die gleiche Testgruppe zeigte in einer weiteren Studie einen erhöhten Wert der Fettgewebe in der Region des Epididymis 35 . Die Epididymis-Region erstreckt sich in Mäusen seitlich von den Hoden bis zum Diaphragma 39 . Unabhängig des Nikotingehalts konnte pränatale E-Zigaretten-Exposition zudem mit einer erhöhten Fettmasse in der Bauchhöhle in Verbindung gebracht werden. Im Erwachsenenalter normalisierten sich diese Befunde, jedoch konnte die Erhöhung der Fettmasse in der Bauchhöhle bei Nachkommen, die pränatal +Nik oder −Nik E-Zigaretten-Aerosolen ausgesetzt waren, beobachtet werden 50 .

Messungen der Körperlänge an postnatal Tag 1 zeigte in 2 Studien eine signifikante Reduktion der Körpergröße nach pränataler E-Zigaretten-Exposition +Nik 39 . Die Ergebnisse von Nöel et al. (2020) zeigten keine signifikanten Unterschiede nach pränataler Exposition ab der Befruchtung sowie nach 12 Tagen vor der Befruchtung.

Kognition und Verhalten

In dem folgenden Abschnitt werden die Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition auf Kognition und Verhalten betroffener Nachkommen angegeben. Von den insgesamt 17 untersuchten Studien haben 5 hierzu Hinweise gegeben. Diese sind Tab. 4 zu entnehmen.

Veränderungen des Kurzzeitgedächtnisses bei Mäusen können durch den Novel-Object-Recognition-Test gemessen werden. Hierbei wird das Testobjekt in eine Box mit 2 identischen Blöcken platziert. Nach einer Gewöhnungsphase wird einer der Blöcke durch einen Block mit unterschiedlicher Form und Farbe ersetzt. Gemessen wird die Explorationszeit des neuen Blockes. Grundlage des Tests ist die Annahme, dass Einschränkungen des Kurzzeitgedächtnisses, wodurch der alte Block nicht als bekannt erinnert wird, dazu führen, dass nach dem Wechsel beide Blöcke gleich lang exploriert werden 35 . Adoleszente Mäuse, die pränatal E-Zigaretten-Dampf ausgesetzt waren, zeigten bei der Testung eine signifikante Verschlechterung der Objektwiedererkennung 22 . Dies zeigt sich für die +Nik und −Nik im Vergleich zur Kontrollgruppe 22 und konnte im Erwachsenenalter der Tiere 32 repliziert werden. Weiterhin wurden Mäuse untersucht, die bis zur Befruchtung konventionellen Zigaretten exponiert waren und dann, weitergehend ab der Befruchtung, E-Zigaretten +Nik exponiert waren. Beobachtet wurde hier eine deutlich eingeschränkte Objektwiedererkennung im Erwachsenenalter 29 . Unter Anwendung des Open-Field-Tests, durch den die Bewegungsaktivität gemessen wird, konnte in einer Studie, im Vergleich zu der Kontrollgruppe, eine deutlich erhöhte Aktivität in Nachkommen festgestellt werden, die pränatal E-Zigaretten-Rauch +Nik ausgesetzt waren 22 . Hinsichtlich der Übertragung auf den Menschen könnten diese Ergebnisse Hinweise darauf geben, dass im weiteren Entwicklungsverlauf die Entstehung von Störungsbildern wie ADHS begünstigen werden könnten. Dies bleibt jedoch unklar und bedarf weiterer Forschung 22 . Unter Anwendung des Elevated-Plus-Maze-Tests legten Mäuse, die pränatal E-Liquid +Nik sowie E-Liquid −Nik ausgesetzt waren, eine signifikant weitere Distanz zurück als die Kontrollgruppe 21 . Der gleiche Effekt konnte auch für Mäuse in der Adoleszenz festgestellt werden 51 . Der Elevated-Plus-Maze-Test besteht aus einer Box mit 4 Gängen, die aus der Vogelperspektive einem Plus-Zeichen gleicht. Die Hälfte der Gänge ist von Wänden umgeben, die andere Hälfte besteht nur aus Boden. Ausschlaggebend für die Testung von Angstverhalten ist, dass ein längerer Aufenthalt in den offenen Gängen und das Zurücklegen einer weiteren Distanz als ein niedriges Angstverhalten interpretiert wird 32 .Eine weitere Studie bestätigte diese Ergebnisse. Mäuse, die pränatal sowohl E-Liquid +Nik als auch −Nik exponiert waren, zeigten einen längeren Aufenthalt in den Gängen. Dieses Verhalten kann darauf hindeuten, dass pränatale E-Zigaretten-Exposition das Angstverhalten von Mäusen unabhängig des Nikotingehalts vermindert 29 . Ein signifikant längerer Aufenthalt in den offenen Gängen konnte bei Tieren im Jugendalter, die pränatal E-Liquid +Nik exponiert waren, festgestellt werden 51 . Der gleiche Effekt zeigte sich bei Mäusen, deren Mütter ab der Befruchtung von konventionellem Tabak auf E-Liquid-+Nik-Exposition umgestellt wurden 21 . Die Ergebnisse von Nguyen et al., 2019, und Smith et al., 2015, weisen somit darauf hin, dass die Nachkommen, die pränatal E-Zigaretten-typischen Aerosolen mit oder ohne Nikotin ausgesetzt waren, aktiver und weniger ängstlich sind und mit größerer Wahrscheinlichkeit unterschiedliche Umgebungen erkunden. Weitere Messwerte verringerten Angstverhaltens werden in der Literatur in Form von Verhaltensweisen wie Körperdehnungen, das Aufstellen auf die Hinterpfoten sowie das Stupsen des Kopfes beschrieben 32 ,  51 . Stupsbewegungen des Kopfes konnten vermehrt bei Jungtieren beobachtet werden, die pränatal E-Liquid +Nik ausgesetzt waren 21 . Ergebnisse über das Auftreten von Körperdehnungen im Rahmen des Elevated-Plus-Tests unterschieden sich bei offenen und geschlossenen Gängen. Während die Bewegungen in den geschlossenen Gängen bei allen Versuchsgruppen gleich oft beobachtet werden konnten, führten Tiere der Versuchsgruppe pränataler E-Liquid-Exposition −Nik die Bewegung in offenen Gänge signifikant öfter aus 21 ,  51 . Ergebnisse zu den Auswirkungen hinsichtlich der Angstsymptomatik scheinen im weiteren Entwicklungsverlauf nicht eindeutig. Ein verringertes Angstverhalten, gemessen an der gesteigerten Dauer des Aufenthaltes in offenen gegenüber geschlossenen Gängen, konnte in der Adoleszenz nach pränataler E-Liquid-Exposition unabhängig vom Nikotingehalt erneut gemessen werden. Der 2. Messwert ergab bei pränataler Nikotinexposition ein vermehrtes Auftreten explorativer Stupsbewegungen des Kopfes. Zudem wurde die Körperdehnung bei pränataler E-Liquid-Exposition −Nik sowie Tabakexposition gefördert. Bezüglich des Verhaltens zeigten die aufgeführten Studien, dass dieses durch pränatale E-Liquid-Exposition zwar beeinflussbar zu seien scheint, diese Veränderungen jedoch insgesamt unabhängig vom Nikotingehalt zu bemerken waren.

Diskussion

Diese Arbeit diskutiert 17 Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen von pränataler E-Zigaretten-Exposition der letzten 10 Jahre. Darunter wurden Forschungsarbeiten zu neurobiologischen Auswirkungen (n = 8) und Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen auf die Lunge und weitere Organsysteme gefunden (n = 8). Einige der insgesamt 17 Studien gaben zusätzlich Auskunft über Auswirkungen auf Geburtsparameter (n = 12) und Auswirkungen auf Kognition und Verhalten (n = 5). Bei allen Forschungsarbeiten handelte es sich um Tierversuche oder In-vitro-Studien. Humanstudien fanden sich in der aktuellen Literatur bisher nicht wieder.

Vergleich zu Auswirkungen konventioneller Zigaretten

Ein konkreter Vergleich der Auswirkungen von pränataler Exposition gegenüber E-Zigaretten und konventionellen Zigaretten ist aktuell aufgrund fehlender Humanstudien limitiert. Bisherige Ergebnisse pränataler E-Zigaretten-Exposition, die auf In-vitro- und Tierstudien basieren, sind nicht vollständig auf den menschlichen Organismus übertragbar und dementsprechend nicht direkt mit denen von konventionellen Zigaretten zu vergleichen 52 ,  53 . Die geringe Anzahl der gefundenen Studien und die nicht vorhandenen Humanstudien könnten sich durch die Tatsache erklären lassen, dass E-Zigaretten erst seit 2007 als Produkt auf dem Markt erhältlich sind und erst in den letzten Jahren an Popularität gewonnen haben 54 . Die meisten In-vitro- und Tierstudien deuten auf eine potenzielle Gefahr für den sich entwickelnden Fetus hin, primär aufgrund des konsumierten Nikotins 7 ,  16 . Diese Substanz ist ebenso wie bei konventionellen Zigaretten ein Hauptbestandteil der E-Zigarette. Somit könnten Folgeschäden, die anhand von Humanstudien durch pränatale Exposition konventioneller Zigaretten und nikotinhaltiger Tabakprodukte bekannt sind, auch durch nikotinhaltige E-Zigaretten verursacht werden.

Nikotin passiert die Plazenta und verteilt sich so im fetalen Organismus. Daraufhin kann es durch den Fetus nur langsam eliminiert werden, was zu einer höheren Exposition führt 55 . Humanstudien belegen, dass Nikotinexposition eine der Hauptursachen für ein breites Spektrum negativer und pathologischer Geburtsergebnisse wie ein niedriges Geburtsgewicht, Fehl- und Totgeburten ist 3 ,  55 . Weiterhin wird in der Literatur über ein signifikant erhöhtes Risiko für plötzlichen Kindstod, Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes 3 ,  56 und eine Verringerung der männlichen Reproduktionsfähigkeit 57 und früheren Menarche bei Mädchen 56 berichtet. Nikotinkonsum während der Schwangerschaft beeinflusst verschiedene physiologische Parameter bei Schwangeren, was zu einem Sauerstoffmangel beim Fetus führt. Es reduziert dessen Nährstoffversorgung durch eine nikotinbedingte uteroplazentare Durchblutungsstörung 56 . Infolgedessen kann ein breites Spektrum von Atemwegserkrankungen wie Bronchitis oder Asthma auftreten 3 ,  56 . Durch das Überqueren der Plazentaschranke beeinflusst Nikotin außerdem die neuronale Entwicklung über das Neurotransmittersystem 56 . Aufgrund der hohen Ähnlichkeit von Nikotin zu dem Neurotransmitter Acetylcholin wird angenommen, dass Nikotin an seine Rezeptoren bindet 58 ,  59 . Nikotinacetylcholinrezeptoren sind an der Entwicklung verschiedener Neurotransmittersysteme beteiligt, die durch Nikotinkonsum dysreguliert werden 59 . Dadurch kann es zu Fehlern in der Verarbeitung grundlegender kognitiver Prozesse wie Lernen, Gedächtnis und Aufmerksamkeit kommen 60 . Weitere Effekte, die sich in späteren Entwicklungsstadien bemerkbar machen können, sind Verhaltensauffälligkeiten wie eine geringere globale Intelligenz 56 , oder Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörungen (ADHS). Allein durch die bekannten Auswirkungen des Nikotins wird deutlich, dass der Konsum nikotinhaltiger E-Zigaretten weniger einer alternativ-sicheren Möglichkeit zur Entwöhnung konventioneller Zigaretten dient, sondern vielmehr zu genannten Folgeschäden bei betroffenen Nachkommen führen kann.

Tabakrauch konventioneller Zigaretten enthält neben Nikotin zahlreiche weitere Schadstoffe. Etwa 40 von diesen sind fetotoxisch, einschließlich Teer und Kohlenmonoxid 61 . Elektronische Nikotinabgabesysteme sind nicht brennbar und es wird angenommen, dass sie im Vergleich zu konventionellen Zigaretten entsprechend weniger Toxine wie Kohlenmonoxid enthalten 62 . Allerdings sind neben dem Nikotingehalt auch weiteren Inhaltstoffe der E-Zigarette und deren Wirkungsweise zu beachten. Viele der Untersuchungen über die Auswirkungen von pränataler E-Zigaretten-Exposition auf den Fetus beziehen sich lediglich auf die Auswirkungen von reinem Nikotin und nicht auf das E-Zigaretten-Aerosol als Ganzes. Dennoch gibt es auch Hinweise auf Folgeschäden, die nicht auf das Nikotin, sondern auf die weiteren Bestandteile von E-Zigaretten wie Aromen und Trägerstoffe zurückzuführen sind 22 ,  48 . Neben Nikotin enthalten die zu konsumierenden Liquide der E-Zigaretten Trägerstoffe wie Propylenglykol und Glycerin sowie verschiedene Aromen. Propylenglykol und Glycerin sind farblose viskose Flüssigkeiten süßen Geschmacks. Die Effekte, die durch das Einatmen dieser Trägerstoffe hervorgerufen werden, sind noch unbekannt, weshalb ein negativer Effekt nicht auszuschließen ist. Einige der aromatisierten „Säfte“ können zudem noch reizender für die Lunge sein als die Inhaltsstoffe konventioneller Zigaretten. Außerdem scheinen Aromen sich unterschiedlich auszuwirken. Dies zeigte sich anhand von Untersuchungen des Lungengewebes betroffener Nachkommen, wobei zwar Menthol- und Erdbeeraroma, nicht aber Tabak- oder Vanillearoma einen erhöhten Zelltod verursachten 40 . Am gesundheitsschädlichsten scheint das Kirscharoma zu sein, da es Benzaldehyde enthält, die fetotoxisch wirken 63 . Bisherige Erkenntnisse sind noch durch weitere Forschung anhand von Humanstudien zu ergänzen. Jedoch lässt sich die Annahme, dass die E-Zigarette als sicherere Alternative gegenüber herkömmlichen Zigaretten einzuordnen ist, ausschließen.

Methodische Limitationen

Die vorliegende Übersichtsarbeit weist im Hinblick aktueller Forschungsergebnisse einige Limitationen auf. Studien zu Untersuchungen von Auswirkungen pränataler E-Zigaretten-Exposition zeigen eine methodische Heterogenität hinsichtlich bestimmter Aspekte. Beispielsweise werden verschieden lange Expositionszeiträume angewandt, bei denen die tragenden Tiere dem Liquid der E-Zigarette ausgesetzt werden. Hierdurch variiert die Intensität der Exposition, die sich dementsprechend auch auf das Ausmaß der zu beobachtenden Effekte bei den Nachkommen auswirkt. Hinzu kommt eine bisher unzureichende Erforschung der Trägerstoffe und Aromen der Liquide der E-Zigarette. Während der Vergleich zu konventionellen Zigaretten bisher primär hinsichtlich der Substanz Nikotin gezogen werden kann, fehlt es an ausreichend Studien, welche die Auswirkungen von Trägerstoffen und verschiedenen Aromen untersuchen. In der bisherigen Literatur gibt es bereits Hinweise darauf, dass es zu negativen Auswirkungen, bedingt durch Trägerstoffe und Aromen, kommen kann 22 ,  40 ,  48 . Hierzu ist jedoch noch wenig bekannt.

Zudem fehlt es der aktuellen Literatur eindeutig an Humanstudien. Durch noch unzureichend dokumentierte Prävalenzen von E-Zigaretten-Konsum allgemein und während der Schwangerschaft ist ein konsistenter, globaler Vergleich nicht möglich. Dies erschwert adäquate Präventionsansätze betreffend entsprechender Zielgruppen. Darüber hinaus lassen sich noch keine eindeutigen Aussagen zu den Effekten pränataler E-Zigaretten-Exposition auf betroffene Nachkommen tätigen.

Die Transferierbarkeit von Ergebnissen aus Tierstudien auf den menschlichen Körper sowie zwischen verschiedenen Tierarten ist umstritten. Mäuse und Affen ähneln dem Menschen aufgrund einer vergleichbaren evolutionären Entwicklung 52 . Zudem besitzen Mäuse die gleichen Organe sowie ähnlich funktionierende Kreislauf-, Fortpflanzungs-, Verdauungs-, Hormon- und Nervensysteme wie der Mensch. Durch diese Ähnlichkeiten kann es dazu kommen, dass speziell Mäuse Krankheiten entwickeln, die dem äquivalenten Krankheitsbild der Menschen sehr nah kommen. Somit lassen sich die Ergebnisse aus Mausmodellen teilweise auf den Menschen übertragen 53 . Im Rahmen von Tiermodellen ist es möglich, experimentell vielseitig zu arbeiten, trotzdem ist es wichtig, Humanstudien zu den Auswirkungen von E-Zigaretten auf die frühe Entwicklung anzustreben. Das bisherige Fehlen von Humanstudien mag damit zusammenhängen, dass der Konsum von E-Zigaretten noch nicht flächendeckend als unsichere und potenziell schädliche Alternative zu herkömmlichen Zigaretten gesehen wird und dieser Ansatz medizinisch vertreten wird.

Insbesondere in Bezug auf die E-Zigaretten-Exposition lassen sich auch methodische Limitationen in den Tierversuchsmodellen feststellen. Im Gegensatz zu Menschen werden Versuchstiere dem E-Zigaretten-Aerosol, während sie sich in einer dafür vorgesehenen Apparatur befinden, in Form eines Passivkonsums ausgesetzt. Bei der nasalen Inhalation werden zusätzliche Luftpartikel eingeatmet, die die Ergebnisse beeinflussen können. Obwohl nicht ausreichend untersucht ist, inwiefern dies von Bedeutung ist, scheint darin ein methodischer Nachteil der Tierstudien im Vergleich zu Humanstudien zu liegen 32 . Ein weiterer Aspekt, der bei Untersuchungen anhand von Tiermodellen beachtet werden sollte, ist, dass sich die Entwicklung des Gehirns von der des humanen Organismus unterscheidet. Die Entwicklungsphase, die im menschlichen Fetus im 3. Trimenon abgeschlossen wird, dauert bei Mäusen bis in die postnatale Zeit an. Übertragen auf den humanen Organismus handelt es sich bei Ergebnissen von Tierexperimenten bezüglich früher postnataler Phasen somit noch um den vorgeburtlichen Zeitraum bei humanen Organismen 32 .

Implikationen für weitere Forschung und klinische Praxis

Eine zunehmend angeglichene methodische Vorgehensweise mit beispielsweise kohärenten Expositionszeiträumen von E-Liquiden könnte zu einer besseren Vergleichbarkeit der Studien untereinander führen. Primär bei Tiermodellstudien ließen sich methodische Verfahren vereinheitlichen, da Expositionszeiträume und auch -medien einheitlich angewandt werden können. Bei humanen Stichproben ist dies hingegen limitiert. Hier könnte für zukünftige Forschung darauf geachtet werden, Prävalenzen des Konsums von E-Zigaretten sowie Auswirkungen auf betroffene Nachkommen einheitlich zu erfassen. Zur Erfassung der genauen Prävalenzen bedürfe es einheitlicher Definitionen von Konsummengen wie geringe, moderate oder große Mengen und bestenfalls Messungen des Gehalts der toxischen Substanzen durch Biomarker. Anhand von Fragebögen ließe sich, wie in aktuellen Untersuchungen von Schilling et al. 5 , die Risikoeinschätzung des E-Zigaretten-Konsums untersuchen. Dies könnte zu der Entwicklung adäquater Präventionsmaßnahmen beitragen.

Des Weiteren ist es essenziell, Humanstudien zu etablieren, um die bisherigen Erkenntnisse der In-vitro- und Tierstudien zu überprüfen. Dies würde die Vergleichbarkeit zu konventionellen Zigaretten hinsichtlich der Auswirkungen auf humane Nachkommen vereinfachen, und die Auswirkungen der E-Zigaretten-Exposition könnten entsprechend eindeutiger in den Forschungskontext eingeordnet werden.

Primär bildet die aktuelle Literatur negative Einflüsse des Nikotins als Bestandteil von E-Zigaretten ab (z. B. 23 ). Aufgrund der zusätzlich enthaltenen Trägerstoffe und Aromen wäre es ebenfalls essenziell, die Auswirkungen dieser weiter zu beforschen. Dies ist besonders wichtig für eine hinreichende Risikobewertung des E-Zigaretten-Konsums während der Schwangerschaft.

In der klinischen Praxis sollte basierend auf aktuellen Forschungsergebnissen präventiv über mögliche zahlreiche Folgeschäden aufgeklärt werden. Bei einer Abfrage der Risikoeinschätzung und entsprechender Beratung der Schwangeren können auch Parallelen zu konventionellen Zigaretten aufgezählt werden, die hinsichtlich des Nikotins bereits als fetotoxische Substanz bekannt sind. Hier könnte verdeutlicht werden, dass die E-Zigarette nicht mehr als eine zu Beginn angegebene sichere Alternative konsumiert werden kann, sondern dies bereits durch aktuelle Forschungsergebnisse widerlegt ist. Dies könnte unterstützt werden, indem darauf aufmerksam gemacht wird, dass auch gesundheitsbezogene Institutionen wie die WHO die Empfehlung aussprechen, keine E-Zigaretten während der Schwangerschaft zu konsumieren. Auch sollte darüber aufgeklärt werden, dass der Konsum bei der Planung oder Möglichkeit einer Schwangerschaft bereits eingestellt werden sollte, um frühe Schwangerschaftsabbrüche oder Folgeschäden betroffener Nachkommen zu vermeiden. Dies könnte im Rahmen gynäkologischer Vorsorgeuntersuchungen und Schwangerschaftsscreenings durch Hebammen und Gynäkologen sowie in der Praxis weiterer Berufsgruppen sozialer und medizinischer Bereiche realisiert werden.

Schlussfolgerung

Die Analyse des aktuellen Forschungsstandes verdeutlicht, dass eine Vielzahl von Auswirkungen von E-Zigaretten und deren Inhaltstoffen auf die fetale Entwicklung bekannt ist. Bisherige Ergebnisse basieren jedoch ausschließlich auf In-vitro- und Tiermodellen, von deren Übertragbarkeit auf den Menschen nicht vollständig auszugehen ist. Humanstudien sind anzustreben, um fundierte Schlussfolgerungen für humane Organismen zu etablieren. Neben einer studienübergreifenden, kohärenten methodischen Vorgehensweise sollte die Erforschung von im Liquid der E-Zigaretten enthaltenden Trägerstoffe und Aromen weiter angestrebt werden, um deren Wirkungsweise zu kennen. Hierzu existieren bereits Ergebnisse, welche die pränatale Exposition von Trägerstoffen oder Aromen auch ohne Nikotin als schädlich bestätigen. Auf der Grundlage bereits vorhandener Übersichtsarbeiten in Kombination mit den recherchierten Ergebnissen ist schlussfolgernd von einem negativen und vielseitigen Einfluss pränataler E-Zigaretten-Exposition auszugehen. Diese Arbeit ergänzt vorherige Übersichtsarbeiten durch eine deutschsprachige Version, die ein breites Spektrum relevanter Berufsgruppen anspricht. Bisher ist der Konsum von E-Zigaretten und damit verbundene Folgen kein Bestandteil der Schwangerschaftsberatung. Es ist von zentraler Bedeutung, Berufsgruppen, die in der Begleitung von Schwangeren tätig sind, darunter Hebammen, Psychologen und Ärzte, fundierter über aktuelle Ergebnisse aufzuklären. Diese sollten an die Allgemeinheit weitergegeben werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Schwangere umfassend in Bezug auf den Konsum von E-Zigaretten und mögliche Risiken beraten werden.

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