Correction of acid base disorders in rats with acute ethylene glycol poisoning

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The aim of the article. The aim of this study was to evaluation of the effectiveness of standard antidote therapy and dimephosphon administration in rats with acute ethylene glycol poisoning. The tasks of the study included modeling acute ethylene glycol poisoning in rats, conducting experimental therapy with ethanol antidote in combination with sodium bicarbonate and dimephosphon therapy, comparing the effectiveness of drugs in relation to indicators of acid-base state impairment and renal function.

Materials and methods. Ethylene glycol (EG) was administered per os to Wistar male rats (190–210 g b.w.) at a single dose of 6 mL/kg b.w. through an atraumatic gastric tube. The animals were divided into 4 groups of 6 individuals each: intact (negative control), EG poisoning (positive control), EG + standard antidote therapy, EG + dimephosphon therapy. Experimental therapy was carried out for first 24 hours using standard antidote therapy: ethanol (30% solution 2 mL/kg b.w. i.p. after 1, 4, 6, 12, 18 hours) and sodium bicarbonate (4 % solution 6 mL/kg b.w. i.p. 3 times on the first day), as well as administration of dimephosphon (150 mg/kg i.p. 3 times on the first day, 450 mg/kg b.w. per day). Daily urine on day 3 after poisoning was collected in metabolic cages. Creatinine concentration in urine and blood serum samples were measured, and creatinine clearance was calculated. After 24 hours of therapy, the pH, level of sodium, potassium, calcium, magnesium, chlorides, bicarbonates, lactate, D-3-hydroxybutyrate, albumin, urea and creatinine (measured parameters) were determined in venous blood samples. Anion gap, ∆рН, ∆AG, ∆HCO3, ∆AG/∆HCO3 and ∆Gap were calculated. The mechanism of death was determined for the dead animals. Data processing was performed using GraphPad Prism 6.0.

Results. Acute poisoning of rats with ethylene glycol leads to the development of toxic encephalopathy and nephropathy, acid-base abnormalities, high anion gap metabolic acidosis due to the presence of metabolites, as well as lactate-ketoacidosis due to depression of the central nervous system. 100% of the EG-treated (12 mL/kg b.w.) animals died within 3 days. Metabolic acidosis in combination with hypermagnesemia had provided a cardiodepressive effect, which with direct nephrotoxic and neurotoxic effects contributed to the development of a mixed variant of thanatogenesis and death. Death comes from toxic encephalopathy and nephropathy, high anion gap metabolic acidosis caused by direct nephrotoxic and neurotoxic effects of EG and its metabolites. The standard antidote therapy with ethanol in combination with sodium bicarbonate prevented a pH shift, lactic acidosis and ketoacidosis, an increase in urea, but did not affect the level of bicarbonate (p = 0,048), creatinine and its clearance (p = 0,037) and the anion gap (p = 0,033). The dimephosphon therapy prevented a decrease in creatinine clearance and blood bicarbonate level, limited the increase in lactate dehydrogenase activity, had a more pronounced effect on the AG and ∆AG (p = 0,042), but did not affect the hypocalcemia (p = 0,0076) and hypoalbuminemia (p = 0,021).

Conclusion. Acute ethylene glycol poisoning leads to the development of a mixed variant of thanatogenesis with damage to the central nervous and urinary systems, as well as the heart. Autopsy and histopathology confirmed the cause of animal death. In the model at a dose of 6 mL/kg of EG the dimephosphon therapy was more conducive to the correction of the main markers of high anion gap metabolic acidosis (HAGMA) than standard antidote therapy (both measured and calculated, p < 0,05). The dimephosphon therapy prevented a decrease in creatinine clearance. A comparative analysis of two methods for the correction of high anion gap metabolic acidosis in rats in acute poisoning with ethylene glycol showed that dimephosphon therapy vs. standard antidote therapy had a stronger effect on markers of metabolic acidosis and renal impairment.

About the authors

Konstantin V. Sivak

Smorodintsev Research Institute of Influenza

Author for correspondence.
Email: kvsivak@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4064-5033

PhD in Biology, Head of the Department of Preclinical Trials

Russian Federation, Saint Petersburg

Mikhail M. Lyubishin

Smorodintsev Research Institute of Influenza

Email: lubishin_m@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2447-5222

PhD in Biology, Researcher in laboratory of drug safety

Russian Federation, Saint Petersburg

Elena Yu. Kalinina

Smorodintsev Research Institute of Influenza; Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Email: drkalinina@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7077-3584

MD, PhD in Medicine (pathologist), Leading Researcher in Laboratory of Drug Safety; Associate Professor, Department of Pathological Anatomy

Saint Petersburg

References

  1. Острые отравления этанолом и его суррогатами / под ред. Ю.Ю. Бонитенко. – СПб.: ЭЛБИ-СПб, 2005. – 224 с. [Ostrye otravleniya etanolom i ego surrogatami / Ed. by Y.Y. Bonitenko. Saint Petersburg: ELBI-SPb; 2005. 224 p. (In Russ.)]
  2. Лужников Е.А., Гольдфарб Ю.С., Марупов А.М. Эндотоксикоз при острых экзогенных отравлениях. – М.: БИНОМ, 2008. – 200 с. [Luzhnikov EA, Gol’dfarb YS, Marupov AM. Endotoksikoz pri ostrykh ekzogennykh otravleniyakh. Moscow: BINOM; 2008. 200 p. (In Russ.)]
  3. Fowles J, Banton M, Klapacz J, Shen H. A toxicological review of the ethylene glycol series: Commonalities and differences in toxicity and modes of action. Toxicol Lett. 2017;278:66-83. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2017.06.009.
  4. D’Arcy MS. Cell death: a review of the major forms of apoptosis, necrosis and autophagy. Cell Biol Int. 2019;43(6):582-592. https://doi.org/10.1002/cbin.11137.
  5. Сивак К.В. Механизмы нефропатологии токсического генеза // Патогенез. – 2019. – Т. 17. – № 2. – С. 16–29. [Sivak KV. Mechanisms of toxic nephropathology. Patogenez. 2019;17(2):16-29. (In Russ.)]. https://doi.org/10.25557/2310-0435.2019.02.16-29.
  6. Tung RC, Thornton SL. Characteristics of laboratory confirmed ethylene glycol and methanol exposures reported to a regional poison control center. Kans J Med. 2018;11(3):67-69. 6122883.
  7. Lee SH, Park S, Lee JW, et al. The anion gap is a predictive clinical marker for death in patients with acute pesticide intoxication. J Korean Med Sci. 2016;31(7):1150-1159. https://doi.org/10.3346/jkms.2016.31.7.1150.
  8. McMartin K, Jacobsen D, Hovda KE. Antidotes for poisoning by alcohols that form toxic metabolites. Br J Clin Pharmacol. 2016;81(3):505-515. https://doi.org/10.1111/bcp.12824.
  9. Любишин М.М., Сивак К.В., Саватеева-Любимова Т.Н. Сравнительное изучение влияния ингибитора алкогольдегидрогеназы — амида изовалериановой кислоты и стандартной антидотной терапии на формирование отставленных последствий острого отравления этиленгликолем // Medline.ru. Российский биомедицинский журнал. – 2012. – Т. 13. – № 2. – С. 257–265. [Lyubishin MM, Sivak KV, Savateeva-Lyubimova TN. A comparative study of the formation of acute ethylene glycol poisoning delayed disorders under the therapy with either alcohol dehydrogenase inhibitor — isovaleric acid amide or standard antidote therapy. Medline.ru. Rossiyskiy biomeditsinskiy zhurnal. 2012;13(2):257-265. (In Russ.)]
  10. Ostermann M, Straaten HM, Forni LG. Fluid overload and acute kidney injury: cause or consequence? Crit Care. 2015;19:443. https://doi.org/10.1186/s13054-015-1163-7.
  11. Klein SJ, Lehner GF, Forni LG, Joannidis M. Oliguria in critically ill patients: a narrative review. J Nephrol. 2018;31(6):855-862. https://doi.org/10.1007/s40620-018-0539-6.
  12. Сивак К.В., Саватеева-Любимова Т.Н., Петров А.Ю., Коваленко А.Л. Детоксикационные свойства ремаксола при полиорганной недостаточности на фоне тяжелого отравления этанолом // Экспериментальная и клиническая фармакология. – 2010. – Т. 73. – № 12. – С. 39–43. [Sivak KV, Savateeva-Lyubimova TN, Petrov AY, Kovalenko AL. Detoxicating properties of remaxol with respect to multiple organ failure during severe ethanol poisoning. Eksp Klin Farmakol. 2010;73(12):39-43. (In Russ.)]
  13. Саватеева-Любимова Т.Н., Лесиовская Е.Е., Сивак К.В., и др. Доклиническое изучение безопасности препаратов реамберин и ремаксол // Экспериментальная и клиническая фармакология. – 2010. – Т. 73. – № 11. – С. 41–43. [Savateeva-Lyubimova TN, Lesiovskaya EE, Sivak KV, et al. Preclinical study of Reamberin® and Remaxol® safety. Eksp Klin Farmakol. 2010;73(11):41-43. (In Russ.)]
  14. Саватеева-Любимова Т.Н., Лесиовская Е.Е., Сивак К.В. Гемато-, нефро-и гепатопротективные эффекты цитофлавина и настойки семян лимонника при интоксикации аминобензолом // Медицина экстремальных ситуаций. – 2008. – № 3. – С. 68–75. [Savateeva-Lyubimova TN, Lesiovskaya EE, Sivak KV. Gemato-, nefro-i gepatoprotektivnye effekty tsitoflavina i nastoyki semyan limonnika pri intoksikatsii aminobenzolom. Meditsina ekstremal’nykh situatsiy. 2008;(3):68-75. (In Russ.)]
  15. Rus-LASA. Директива Европейского парламента и Совета Европейского союза 2010/63/EU от 22 сентября 2010 г. по охране животных, используемых в научных целях. – СПб., 2012. – 48 с. [Rus-LASA. Direktiva Evropeyskogo parlamenta i Soveta Evropeyskogo soyuza 2010/63/EU ot 22 sentyabrya 2010 g. po okhrane zhivotnykh, ispol’zuemykh v nauchnykh tselyakh. Saint Petersburg; 2012. 48 р. (In Russ.)]
  16. Rastegar A. Use of the DeltaAG/DeltaHCO3- ratio in the diagnosis of mixed acid-base disorders. J Am Soc Nephrol. 2007;18(9):2429-2431. https://doi.org/10.1681/ASN.2006121408.
  17. Chawla LS, Shih S, Davison D, et al. Anion gap, anion gap corrected for albumin, base deficit and unmeasured anions in critically ill patients: implications on the assessment of metabolic acidosis and the diagnosis of hyperlactatemia. BMC Emerg Med. 2008;8:18. https://doi.org/10.1186/1471-227X-8-18.
  18. Mallat J. Assessment of metabolic acidosis and the use of albumin-corrected plasmatic anion gap in critically iii patients. J Anesth Crit Care Open Access. 2016;5(4). https://doi.org/10.15406/jaccoa.2016.05.00190.
  19. Barlak A, Akar H, Yenicerioglu Y, et al. Effect of sodium bicarbonate in an experimental model of radiocontrast nephropathy. Ren Fail. 2010;32(8):992-999. https://doi.org/ 10.3109/0886022X.2010.502282.
  20. Мальков П.Г., Франк Г.А., Пальцев М.А. Стандартные технологические процедуры при проведении патологоанатомических исследований: клинические рекомендации RPS1.1. 2016. – М.: Практическая медицина, 2017. – 135 с. [Mal’kov PG, Frank GA, Pal’tsev MA. Standartnye tekhnologicheskie protsedury pri provedenii patologoanatomicheskikh issledovaniy: klinicheskie rekomendatsii RPS1.1. 2016. Moscow: Prakticheskaya meditsina; 2017. 135 p. (In Russ.)]
  21. Mostert M, Bonavia A. Starvation ketoacidosis as a cause of unexplained metabolic acidosis in the perioperative period. Am J Case Rep. 2016;17:755-758. https://doi.org/10.12659/ajcr.900002.
  22. Бонитенко Е.Ю., Бабаханян Р.В., Есаян А.М. Влияние ингибиторов алкогольдегидрогеназы на биохимические и гистологические изменения при экспериментальных отравлениях этиленгликолем и его эфирами // Нефрология. – 2003. – Т. 7. – № 3. – С. 60–66. [Bonitenko EY, Babakhanyan RV, Esayan AM. Effects of alcohol dehydrogenase inhibitors on biochemical and histological changes in experimental poisonings with ethylene glycol and its ethers. Nephrology. 2003;7(3):60-66. (In Russ.)]
  23. Garg D, Lim T, Irani M. A rare case of fatal stroke after ethylene glycol toxicity. BMJ Case Rep. 2015;2015. https://doi.org/10.1136/bcr-2014-208855.
  24. Collins ND, LeRoy BE, Vap L. Artifactually increased serum bicarbonate values in two horses and a calf with severe rhabdomyolysis. Vet Clin Pathol. 1998;27(3):85-90. https://doi.org/10.1111/j.1939-165x.1998.tb01025.x.
  25. Ипастова И.Д., Перфильева Н.П. Влияние димефосфона на макроморфологию головного мозга крысы // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. – 2012. – № 3. – С. 77–81. [Ipastova ID, Perfil’eva NP. The influence of dimephosphone on macromorphology of rat brain. Vestnik Ul’yanovskoy gosudarstvennoy sel’skokhozyaystvennoy akademii. 2012;(3):77-81. (In Russ.)]
  26. Ипастова И.Д., Перфильева Н.П. О влиянии димефосфона на морфологию мозжечка белой крысы // Вестник Брянского государственного университета. – 2014. – № 4. – С. 83–88. [Ipastova ID, Perfil’eva NP. Effect of the dimephosphone on the morphology of the cerebellum of the white rat. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2014;(4):83-88. (In Russ.)]

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Pathological changes in the kidneys (a, ×200; b, ×400), heart (c, d, ×400), cerebellum (e, ×400) and brain stem (f, ×400) of rats died on the 3rd day of acute poisoning by ethylene glycol. Explanations in the text

Download (717KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The effect of standard antidote therapy and dimephosphon on the anion gap in rats with ethylene glycol poisoning (box-plot with 5–95 percentile)

Download (84KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The inverse of the significance level (1/p-level) of the measured parameters in rats with ethylene glycol poisoning. Cl– — chlorides; Lac — lactic acid; LDH — lactatdehydrogenase; Alb — albumin; BUN — blood urea nitrogen; s-Cre — serum creatinin; ClCr — clearance of creatinine

Download (147KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2020 Sivak K.V., Lyubishin M.M., Kalinina E.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».