Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Species differ in their sensitivities to toxicants and these differences are exploited in ecological risk assessment methods such as species sensitivity distributions (SSDs). The most commonly used endpoints for ecotoxicity testing and thus to generate data for use in SSDs are on the whole-organismal level, and usually include the evaluation of survival and reproduction. However, suborganismal biomarker responses are in many instances more sensitive than these whole-organismal responses. Therefore, this study investigated and compared responses on various biological organisational levels to determine their suitability for use in SSDs. Five terrestrial oligochaete species (earthworms) were selected as model test organisms, and were exposed to a range of concentrations of a well-studied pesticide, copper oxychloride. The investigated responses included survival, biomass change and reproduction on the whole-organismal level. In order to investigate responses on the suborganismal level, cells (coelomocytes) were extracted non-invasively. The spectrophotometric neutral red retention (NRR) assay was used to determine cell survival and the MTT assay to determine mitochondrial metabolic activity of the coelomocytes. The alkaline single cell gel electrophoresis (comet) assay was used to assess DNA integrity in these cells. The amount of Cu taken up by earthworms was also determined and compared to their responses. Species differences were observed in all responses, and EC50 and EC10 values were calculated for the whole-organismal endpoints and used to generate SSDs. From these SSDs, the hazardous concentrations where 5% of all species would be detrimentally affected (HC5) were calculated, which indicated that the most sensitive whole-organismal endpoint was mass change, followed by reproduction and survival. It was found that earthworms avoided feeding on the contaminated substrate in high copper oxychloride concentration exposures. The concentration where this behaviour occurred could be estimated for each species, and an SSD was constructed with these data. The HC5 value indicated that this response is more sensitive than earthworm survival, but less sensitive than the other responses. It was shown that the earthworms regulated their body Cu concentrations in a species-specific manner. This regulation of Cu was reflected in the suborganismal responses, and the species that had taken up the highest amount of Cu was the most sensitive species for all three suborganismal assays. Due to this regulation of Cu, the resulting dose-responses for the suborganismal endpoints did not allow for the calculation of EC50 values in most of the species and such data could thus not be used to generate SSDs. Sufficient EC10 values were however generated to construct SSDs from the results of the NRR and comet assays. The HC5 values obtained from SSDs constructed with EC10 values for both suborganismal and whole-organismal endpoints indicated that the NRR assay was the most sensitive endpoint, followed by both the comet assay and earthworm mass change, and subsequently the other whole-organismal endpoints. In conclusion, the majority of the responses on the various levels of biological organisation investigated during the present study were shown to be suitable to determine species sensitivity relationships in the terrestrial oligochaete species studied. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Spesies verskil van mekaar ten opsigte van hulle sensitiwiteit vir toksikante, en hierdie verskille word in ekologiese risikobepalingsmetodes soos spesie-sensitiwiteitsverspreidings (SSVs) gebruik. Die mees algemene eindpunte vir ekotoksisiteitstoetse, en wat dus gebruik word om data te genereer vir SSVs, is op die heelorganismevlak, en sluit gewoonlik die bepaling van oorlewing en voortplanting van die toetsorganismes in. Hierdie eindpunte is egter in die meeste gevalle minder sensitief as suborganismiese biomerker-response. Hierdie studie het dus die response op verskeie vlakke van biologiese organisasie ondersoek en vergelyk om te bepaal of hulle geskik is vir gebruik in SSVs. Vyf terrestriële spesies van die klas Oligochaeta is gekies as toetsorganismes en is blootgestel aan 'n reeks konsentrasies van die goed bestudeerde pestisied koperoksichloried. Die response oorlewing, massaverandering en voortplanting is op die heelorganismevlak ondersoek. Vir die suborganismiese response is selle (selomosiete) met behulp van 'n nie-ingrypende proses vanuit die erdwurms geïsoleer. Die suborganismese toetse wat op hierdie selle gedoen is, was die neutraalrooi-retensietoets (NRR toets) om sel-oorlewing te bepaal, die MTT toets om mitochondriese metabolisme te bepaal en die alkaliese komeettoets om DNS-integriteit te bepaal. Die hoeveelheid Cu wat die erdwurms opgeneem het, is ook bepaal en met hulle response vergelyk. Verskille is tussen die spesies waargeneem vir al die response. Beide EK50 en EK10 waardes is bereken vir die heelorganismiese eindpunte om SSVs te genereer. Vanaf hierdie SSVs kon die gevaarlike konsenstrasie, waar 5% van alle spesies nadelig beïnvloed kan word (GK5), bereken word. Hierdie GK5 waardes het aangedui dat massaverandering die mees sensitiewe heelorganismiese eindpunt was, gevolg deur voortplanting en oorlewing. Die erdwurms het opgehou vreet aan die gekontamineerde substraat by hoë koperoskichloriedkonsentrasies. Die konsentrasie waar hierdie gedrag plaasgevind het kon vir elke spesie vasgestel word, en 'n SSV is met behulp van hierdie data genereer. Hierdie GK5 waarde het aangedui dat hierdie respons meer sensitief was as oorlewing, maar minder sensitief as die ander response. Die erdwurms kon die konsentrasie van Cu in hulle liggame op 'n spesie-spesifieke manier reguleer. Hierdie regulering van interne Cu is weerspieël in die suborganismiese response, waar die spesie wat die meeste Cu opgeneem het, ook die mees sensitiewe was vir al drie suborganismiese toetse. As gevolg van hierdie regulering van Cu en die gevolglike dosis-responsverhoudings, kon EK50-waardes nie vir al die spesies bereken word nie, en dus was daar geen EK50-data beskikbaar om SSVs mee te genereer nie. Genoegsame EK10 waardes kon egter bereken word vir die NRR- en komeettoetse, en gebruik word om SSVs te genereer. Die GK5-waardes wat bereken kon word vanuit die SSVs met EK10 waardes vir beide suborganismese en heelorganismiese response, het aangedui dat die mees sensitiewe eindpunt die NRR toets was, gevolg deur beide die komeettoets en massaverandering van erdwurms, en daarna die ander heelorganismiese eindpunte. Die gevolgtrekking is dat daar aangetoon kon word dat die meerderheid van die response wat gedurende hierdie studie ondersoek is, geskik is om sensitwiteitsverhoudings van hierdie groep spesies te bepaal.

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Einleitung: Die Diagnosestellung und Differenzierung der klinischen Symptome einer Vergiftung von anderen Erkrankungsbildern ist oft herausfordernd. Die Häufigkeit des tatsächlichen Auftretens von Vergiftungen ist schwierig zu bestimmen, da sie nur selten sicher nachgewiesen werden; hierzu wäre eine verlässliche toxikologische Untersuchung unabdingbar. Daher werden eine gründliche Anamneseerhebung sowie das Zusammenführen der Befunde aus der klinischen Untersuchung und dem Auffinden von Fremdmaterial durch Dekontaminationsmaßnahmen sowie ein kritisches Überdenken des möglichen Zusammenhanges mit durch andere Erkrankungen hervorgerufenen Symptomen von dem Kliniker gefordert. Die Anwendung einer intravenösen Lipidemulsion (ILE) als alternative Eliminationstherapie ist ebenso diskutabel, jedoch möglichst ausschließlich nach vorangegangener erfolgreicher Dekontamination durchzuführen. Die symptomatische Therapie steht je nach klinischem Befund weiterhin im Vordergrund der Vergiftungstherapie bei Hunden und Katzen. Ziele der Untersuchungen: Das Ziel dieser Arbeit war die Darstellung der häufigsten Vergiftungsursachen und -symptome sowie ein Ausblick auf die klinische Entwicklung unter symptomatischer Therapie und optionaler Anwendung einer ILE. Die in dieser Studie untersuchte Hypothese bestand darin, dass eine speziesspezifische Häufung zugrundeliegender Giftstoffe, wie Speisereste und Kumarinderivate bei Hunden bzw. Lilien und Permethrine bei Katzen, besteht. Es wurde dabei von einer vorwiegend neurologischen Vergiftungssymptomatik ausgegangen. Weiterhin wurde die Hypothese aufgestellt, dass die ILE in den aktuell empfohlenen (vorbehaltlichen) Dosierungen eine nebenwirkungsarme optionale Eliminationstherapie für eine Vielfalt toxischer Substanzen darstellt. Material and Methoden: Die ersten beiden Teile der Studie waren retrospektive Auswertungen von Fallserien bei 634 Hunden bzw. 166 Katzen über einen Zeitraum von fünf Jahren hinsichtlich der Kausalitätsbewertung der Vergiftungswahrscheinlichkeit, des Auftretens verantwortlicher Giftstoffe und Giftstoffgruppen, des zeitlichen Auftretens der Giftstoffaufnahme, der Laborwertveränderungen, der Symptomatik und des klinischen Verlaufes, der therapeutischen Maßnahmen, einschließlich der ILE-Gabe, aufgetretener giftstoff- bzw. behandlungsassoziierter Komplikationen und der Überlebens- bzw. Mortalitätsraten. Der dritte Teil der Studie befasste sich eingehender mit 313 Hunden und 100 Katzen, bei denen eine ILE angewandt wurde. Dabei wurden die verantwortlichen Giftstoffe, die Dosierungen und Dosisintervalle für die ILE sowie der klinische Verlauf bzw. der Therapieerfolg und das Auftreten von Nebenwirkungen untersucht. Ergebnisse: Neben zumeist nicht zu eruierenden toxischen Substanzen treten Vergiftungserscheinungen bei Hunden vor allem nach der Aufnahme von Speiseresten, Rodentiziden, aber auch tremorgenen Mykotoxinen, Cannabinoiden und Nikotin sowie Chemikalien, Metaldehyd und Antiparasitika auf. Bei Katzen dominieren Vergiftungen mit Rodentiziden, Pflanzen, Antiparasitika, insbesondere Permethrin-haltiger Spot-On-Präparate, und Chemikalien. Ein überwiegendes Auftreten neurologischer Symptome ist bei beiden Tierarten (Hunde: 56 %, Katzen: 69 %) zu konstatieren. Weiterhin traten vorrangig Beeinträchtigungen des Allgemeinbefindens sowie kardiovaskuläre Komplikationen oder eine Dehydratation, gefolgt von Problemen der Thermoregulation, gastrointestinalen oder respiratorischen Beschwerden und spontanen Hämorrhagien auf. Klinisch unauffällig wurden im präklinischen Stadium eher Hunde (19 %) als Katzen (5 %) vorgestellt oder bei Ersteren selten allergische Reaktionen festgestellt. Die Überlebensrate war bei Hunden (97 %) insgesamt höher als bei Katzen (89 %). Nebenwirkungen der ILE-Gabe traten selten (<6 %) auf und äußerten sich hauptsächlich mit neurologischen Ausfällen hinsichtlich einer Bewusstseinstrübung oder auch Ataxie, gastrointestinalen, thermoregulatorischen, kardiovaskulären oder respiratorischen Beschwerden oder Auswirkungen auf den Allgemeinzustand, seltener als allergische Reaktion oder Zeichen einer lokalen Kontamination. Schlussfolgerungen: Die Datenlage einer für die Veterinärmedizin großen Patientenzahl unterstreicht den hohen Stellenwert von Vergiftungen in der Kleintiermedizin mit einer Variabilität der auslösenden Noxen, notwendigen therapeutischen Maßnahmen und klinischen Präsentationen mit milden bis schwerwiegenden Verläufen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei frühzeitigem Behandlungsbeginn eine generelle hohe Überlebenschance mit und auch ohne ILE-Anwendung besteht. Die ILE stellt eine insgesamt nebenwirkungsarme Therapieoption im Rahmen der Eliminationstherapie von Vergiftungen dar. Unter Berücksichtigung potenziell schwerwiegender, dennoch transienter Nebenwirkungen, ist der Einsatz nur unter strenger Indikationsstellung solchen Vergiftungen vorbehalten, deren auslösende Substanz einen log P >1,0 aufweist oder bei denen der Patient schwerwiegende lebensbedrohliche Symptome bei strikter Indikation zeigt. Es bedarf prospektiver randomisierter Wirksamkeitsstudien, um Dosierungsvorschläge und -intervalle einheitlich zu spezifizieren und klare Behandlungsempfehlungen für die ILE unter bestimmen Umständen für Hunde und Katzen auszusprechen.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1. Begriffsdefinitionen 2.2. Giftstoffe und deren Häufung, Toxizität und toxisches Prinzip 2.2.1. Nahrungsmittel 2.2.2. Medikamente 2.2.3. Partydrogen 2.2.4. Schwermetalle 2.2.5. Insektizide 2.2.6. Rodentizide 2.2.7. Molluskizide 2.2.8. Organische Substanzen und pflanzliche Toxine 2.2.9. Tierische Toxine 2.2.10. Umwelttoxine 2.2.11. Chemisch-technische Substanzen 2.3. Diagnostische Aufarbeitung von Vergiftungen 2.3.1. Anamnese 2.3.2. Klinische Untersuchung 2.3.3. Laboruntersuchungen 2.3.4. Toxikologische Untersuchung 2.3.5. Bildgebende Diagnostik 2.4. Behandlungsmöglichkeiten von Vergiftungen 2.4.1. Symptomatische Therapie 2.4.2. Dekontaminationsmöglichkeiten und deren Indikationen 2.4.2.1. Emesisinduktion 2.4.2.2. Gastrale und enterale Lavage 2.4.2.3. Haut- und Schleimhautdekontamination 2.4.2.4. Adsorbens- und Laxanzgabe 2.4.3. Eliminationsmöglichkeiten und deren Indikationen 2.4.3.1. Diurese 2.4.3.2. Intravenöse Lipidtherapie 2.4.3.3. Extrakorporale Elimination toxischer Substanzen 2.4.3.4. Antidottherapie 2.5. Die Intravenöse Lipidtherapie als Therapieoption von Vergiftungen 2.5.1. Historische Übersicht der Lipidtherapie 2.5.2. Wirkmechanismen von intravenöser Lipidtherapie 2.5.3. Lipidformulierungen 2.5.4. Dosierung der Lipidtherapie 2.5.5. Beschriebene Komplikationen von Lipidtherapien 2.5.5.1. Fettüberladungssyndrom/Hyperlipidämie 2.5.5.2. Allergische Reaktion/Anaphylaxie 2.5.5.3. Hämatologische und blutchemische Abweichungen 2.5.5.4. Metabolische Komplikationen 2.5.5.5. Kardiovaskuläre Komplikationen 2.5.5.6. Respiratorische Komplikationen 2.6. Ziele und Hypothesen 3 Eigene Publikationen 4 Diskussion 4.1. Zielsetzung der Studie 4.2. Diskussion der Ergebnisse 4.3. Limitationen der Studie 4.4. Schlussfolgerungen 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 Literaturverzeichnis 8 Appendix 9 Danksagung / Background: Diagnosing and differentiating the clinical signs of poisoning from other diseases is often challenging. The frequency of the actual occurrence of poisoning is difficult to determine, as it is rarely reliably detected; this would require an accurate toxicological examination. Therefore, the clinician is obligated to focus on taking a thorough patient history and integrate it with the findings from the physical examination, possibly also the detection of foreign material obtained via decontamination measures, and carefully consider the potential relationship to clinical signs caused by other diseases. The use of intravenous lipid emulsion (ILE) might present an alternative elimination therapy but should only be carried out after successful prior decontamination. Depending on the clinical findings, symptomatic treatment remains the main pillar of treating poisonings in dogs and cats. Objectives: This study aimed to describe the most common causes and clinical signs of poisonings in dogs and cats, and to provide an overview of the clinical course with symptomatic therapy and optional use of ILE. The hypothesis investigated in this study was that there is a species-specific overrepresentation of certain underlying toxicants, such as food residues and coumarin derivatives in dogs or lilies and permethrins in cats. A predominance of neurological signs of poisoning was assumed for both dogs and cats. Furthermore, it was hypothesized that ILE, administered at currently – but conditionally – recommended doses, represents an option for additional elimination therapy for a variety of toxic substances and carries a low risk of adverse effects. Material and methods: The first two parts of the study included the retrospective evaluations of a case series including 634 dogs and 166 cats over five years presenting to a large tertiary veterinary care facility. These cases were reviewed with regard to the probability of poisoning (assessment of causality), the frequency of the corresponding toxicants and toxicant groups, the temporal relationship with the toxicant ingestion, clinicopathological abnormalities, clinical signs and the clinical course of the condition, therapeutic measures, including ILE administration, complications associated with the toxicants and/or treatment, and outcomes (survival and mortality rates). The third part of the study included those patients who had undergone ILE (313 dogs and 100 cats). The responsible toxicants, doses and dose intervals of ILE treatment, clinical course, treatment success, and the occurrence of adverse treatment effects were investigated. Results: Beyond the most frequent scenario that the exact toxic substances remain to be determined, clinical signs of poisoning in dogs are predominantly seen after the ingestion of food residues, rodenticides, but also tremorgenic mycotoxins, cannabinoids and nicotine as well as chemicals, metaldehyde, and antiparasitics. In cats, poisoning with rodenticides, plants, antiparasitics, especially permethrin-containing spot-on formulations, and chemicals predominate. Neurological signs were most frequently detected in both species (dogs: 56%, cats: 69%). Furthermore, a reduced demeanor, cardiovascular complications or dehydration, followed by thermoregulatory, gastrointestinal or respiratory issues and spontaneous hemorrhage were the main clinical signs. As for the clinical stage, rather dogs (19 %) were presented in a clinically unremarkable (preclinical) condition than cats (5 %) and allergic reactions were rarely observed in the former. The survival rate was generally higher in dogs (97%) than in cats (89%). Adverse effects of ILE administration were infrequently noted (<6%) and mainly comprised of neurological (reduced consciousness or ataxia), gastrointestinal, thermoregulatory, cardiovascular, or respiratory signs or affecting the overall patient condition, less frequently signs of an allergic reaction or localized contamination. Conclusions: This data, derived from a large number of small animal patients, underscores the clinical significance of acute poisoning cases in small animal veterinary practice, not limited to specialty care medicine. This study documents the variability of possible causative noxious agents, necessary therapeutic measures, and clinical presentations with mild to severe courses and corresponding outcomes. The results prove that the chance of survival with and without ILE is generally high if treatment is initiated early in the course of the condition. ILE is a therapeutic option with few adverse effects and might be considered in the context of elimination efforts for dogs and cats with poisoning. Considering its potential for serious, albeit transient adverse effects, ILE administration should be reserved for poisonings with toxicants that have a log p > 1.0 or where the patient is determined to be in a serious, life-threatening condition with a strict indication for ILE administration. Prospective, randomized efficacy studies are needed to reevaluate the current (preliminary) dosage recommendations for ILE and be able to offer specific recommendations for (or against) ILE treatment under certain circumstances.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1. Begriffsdefinitionen 2.2. Giftstoffe und deren Häufung, Toxizität und toxisches Prinzip 2.2.1. Nahrungsmittel 2.2.2. Medikamente 2.2.3. Partydrogen 2.2.4. Schwermetalle 2.2.5. Insektizide 2.2.6. Rodentizide 2.2.7. Molluskizide 2.2.8. Organische Substanzen und pflanzliche Toxine 2.2.9. Tierische Toxine 2.2.10. Umwelttoxine 2.2.11. Chemisch-technische Substanzen 2.3. Diagnostische Aufarbeitung von Vergiftungen 2.3.1. Anamnese 2.3.2. Klinische Untersuchung 2.3.3. Laboruntersuchungen 2.3.4. Toxikologische Untersuchung 2.3.5. Bildgebende Diagnostik 2.4. Behandlungsmöglichkeiten von Vergiftungen 2.4.1. Symptomatische Therapie 2.4.2. Dekontaminationsmöglichkeiten und deren Indikationen 2.4.2.1. Emesisinduktion 2.4.2.2. Gastrale und enterale Lavage 2.4.2.3. Haut- und Schleimhautdekontamination 2.4.2.4. Adsorbens- und Laxanzgabe 2.4.3. Eliminationsmöglichkeiten und deren Indikationen 2.4.3.1. Diurese 2.4.3.2. Intravenöse Lipidtherapie 2.4.3.3. Extrakorporale Elimination toxischer Substanzen 2.4.3.4. Antidottherapie 2.5. Die Intravenöse Lipidtherapie als Therapieoption von Vergiftungen 2.5.1. Historische Übersicht der Lipidtherapie 2.5.2. Wirkmechanismen von intravenöser Lipidtherapie 2.5.3. Lipidformulierungen 2.5.4. Dosierung der Lipidtherapie 2.5.5. Beschriebene Komplikationen von Lipidtherapien 2.5.5.1. Fettüberladungssyndrom/Hyperlipidämie 2.5.5.2. Allergische Reaktion/Anaphylaxie 2.5.5.3. Hämatologische und blutchemische Abweichungen 2.5.5.4. Metabolische Komplikationen 2.5.5.5. Kardiovaskuläre Komplikationen 2.5.5.6. Respiratorische Komplikationen 2.6. Ziele und Hypothesen 3 Eigene Publikationen 4 Diskussion 4.1. Zielsetzung der Studie 4.2. Diskussion der Ergebnisse 4.3. Limitationen der Studie 4.4. Schlussfolgerungen 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 Literaturverzeichnis 8 Appendix 9 Danksagung