Disclosures I have nothing to disclose 1 3/10/16 A case Over a 4 - - PDF document

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3/10/16 Liver Toxicants: Synthetic and Naturally Occurring, Classic and Emerging Timur Durrani, MD, MPH, MBA Assistant Medical Director, San Francisco Division, California Poison Control System; Assistant Clinical Professor of Medicine


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Liver Toxicants: Synthetic and Naturally Occurring, Classic and Emerging

Timur Durrani, MD, MPH, MBA Assistant Medical Director, San Francisco Division, California Poison Control System; Assistant Clinical Professor of Medicine

Disclosures

I have nothing to disclose

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A case…

■ Over a 4 month period, 5 workers in an industrial

waste disposal plant present with acute hepatitis.

■ The workers had been working in the high-vapor-

generating area of the plant.

■ Pathologic examination showed typical features of

acute toxic hepatitis.

■ Several chemicals with hepatotoxic potential,

including pyridine, dimethylformamide, dimethylacetamide, and methylenedianiline were detected in the plant.

Cheong HK, Kim EA, Choi JK, Choi SB, Suh JI, Choi DS, Kim JR. Grand rounds: an outbreak of toxic hepatitis among industrial waste disposal workers. Environ Health Perspect. 2007 Jan;115(1):107-12.

Outline ¡

■ Review ¡of ¡hepa,c ¡physiology ¡and ¡mechanisms ¡of ¡hepa,c ¡injury ¡ ■ Synthe,c ¡Toxicants ¡ ■ Naturally ¡Occurring ¡Toxicants ¡ ¡ ■ Classic ¡Toxicants ¡ ■ Emerging ¡Toxicants ¡ ■ Management ¡of ¡exposed ¡pa,ents ¡

¡

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Func+on ¡of ¡the ¡Liver ¡

Energy metabolism and substrate interconversion

◆ Gluconeogenesis, glycogenolysis, glycolysis ◆ Cholesterol synthesis

Protein synthetic functions

◆ albumin, clotting factors, binding proteins,

apolipoproteins, angiotensinogen, and insulin-like growth factor

Solubilization, transport, and storage functions

◆ Biotransformation through phase I and phase II ◆ storage of vitamins A, D, and B12 and folate

Protective and clearance functions

◆ Detoxification ◆ Synthesis and export of glutathione

Phase ¡I ¡and ¡phase ¡II ¡reac+ons ¡

Phase II reactions may precede phase I reactions.

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Biotransforma+on ¡

Phase I Enzymes - (Prepatory) – add/expose polar groups Phase II Enzymes - (Synthetic) – conjugation of polar groups – increase hydrophillicity

Hydrolysis Esterase, Peptidase, epoxidase dihydropyrimidine dehydrogenase (DPYD) Oxidation (loss of an electron) P450, alcohol dehydrogenase, monoamine oxidase glutathione-S-transferase (GST) Reduction (gain of an electron) Azo, Nitro, Carbonyl, Quinone N-acetyltransferase (NAT) Dealkylation sulfotransferase (SULT) thiopurine methyltransferase (TPMT) UDP-glucuronosyltransferase (UGT)

Example ¡of ¡metabolism ¡of ¡phenytoin ¡ ¡

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Contribu+ons ¡of ¡various ¡CYP450 ¡ enzymes ¡and ¡different ¡phase ¡II ¡ pathways ¡

DPYD, dihydropyrimidine dehydrogenase; GST, glutathione-S- transferase; NAT, N-acetyltransferase; SULT, sulfotransferase; TPMT, thiopurine methyltransferase; UGT, UDP- glucuronosyltransferase.

Mul+ple ¡Mechanisms ¡of ¡Hepa+c ¡ Injury ¡

■ Covalent ¡binding ¡ ■ Lipid ¡peroxida,on ¡ ■ Thiol ¡group ¡changes ¡ ■ Enzyme ¡inhibi,on ¡ ¡ ■ Ischemia ¡ ■ Deple,on ¡of ¡ATP ¡ ■ Damage ¡to ¡

intracellular ¡organelles ¡

■ DNA ¡damage ¡ ■ Apoptosis ¡

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Malaguarnera G, Cataudella E, Giordano M, Nunnari G, Chisari G, Malaguarnera

  • M. Toxic hepatitis in occupational exposure to solvents. World J Gastroenterol.

2012 Jun 14;18(22):2756-66.

Example of multiple interactions

Liver ¡Lobule ¡

http://illuminationstudios.com/archives/150/structure-of-a-hepatic-lobule

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◆ 3/10/16 ◆ 7 Goldfrank’s ¡Toxicologic ¡Emergencies, ¡8th ¡Edi+on ¡ ¡

Metabolic ¡Zones ¡of ¡the ¡Liver ¡

Location (Zone) Biochemistry Types of Injury Example

Periportal (1) High oxygen content High glutathione content Oxygen free radical- mediated necrosis Phosphorus, Iron, Mid-zonal (2) Shared functions, zones 1 and 3 Shared functions, zones 1 and 3 Beryllium Centrilobular (3) Low oxygen content High capacity of glucuronidation and sulfation High CYP2E1, alcohol dehydrogenase Necrosis caused by toxic metabolites of CYP2E1 Increased CCl4 and ethanol injury caused by reducing environment APAP, ethanol, halothane, carbon tetrachloride, paraquat, Bromobenzene, chlorinated hydrocarbons

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Factors ¡in ¡the ¡Site-­‑Specific ¡Injury ¡of ¡ Representa+ve ¡Hepatotoxicants ¡ ¡ ¡

Site Representative Toxicants Potential Explanation For Site-specificity Periportal - Zone 1 hepatocytes (versus zone 3) Fe (overload) Preferential uptake and high

  • xygen levels

Centrilobular - Zone 3 hepatocytes (versus zone 1) CCl4 Acetaminophen Ethanol More P450 isozyme for bioactivation More P450 isozyme for bioactivation and less GSH for detoxification More hypoxic and greater imbalance in bioactivation/detoxification reactions Bile duct cells Methylene dianiline Exposure to the high concentration of reactive metabolites in bile

Normal ¡Liver ¡ Histology ¡ Centrilobular ¡ Necrosis ¡

http://www.ouhsc.edu/histology/Glass%20slides/88_03.jpg http://faculty.swosu.edu/scott.long/txcl/hepatotx.jpg

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Steatosis ¡(FaWy ¡Liver) ¡

The cytoplasm is replaced by bubbles of fat that do not displace the nucleus The cytoplasm is replaced by a large bubble of fat that displaces the nucleus to the edge of the cell.

Synthetic toxicants

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Haloalkanes ¡

Trichloromethane ¡(chloroform), ¡ trichloroethylene, ¡carbon ¡ tetrabromide, ¡ tetrachloroethane, ¡1,1,1-­‑ trichloroethane, ¡1,1,2-­‑ trichloroethane, ¡and ¡ hydrochlorofluorocarbons ¡

Hepatotoxic ¡poten,al ¡is ¡ inversely ¡propor,onal ¡to ¡chain ¡ length ¡and ¡bond ¡energy ¡and ¡ directly ¡propor,onal ¡to ¡the ¡ number ¡of ¡halogen ¡atoms ¡in ¡the ¡ molecule ¡and ¡to ¡the ¡atomic ¡ number ¡of ¡the ¡halogen ¡

trichloromethane ¡ ¡ trichloroethyelene ¡ ¡ carbon ¡tetrabromide ¡ tetrachloroethane ¡

Carbon ¡Tetrachloride ¡

Shannon: Haddad and Winchester's Clinical Management of Poisoning and Drug Overdose, 4th ed.

(2E1) ¡

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Aroma+c ¡Hydrocarbons ¡

■ Most ¡aroma,c ¡hydrocarbons ¡are ¡rela,vely ¡low ¡in ¡hepatotoxic ¡

poten,al ¡

■ Some ¡evidence ¡for ¡acute ¡hepa,c ¡injury ¡caused ¡by ¡benzene, ¡

toluene, ¡xylene, ¡and ¡styrene. ¡

Benzene ¡ Toluene ¡ Styrene ¡ Xylene ¡

Naturally occurring toxicants

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Comfrey

Marketed as herbal teas, root powders and as capsules used to treat wounds and to decrease pain and inflammation

Oral comfrey has been banned

  • r restricted in most

countries, but topical forms (ointments, creams and liniments) are available.

Pyrrolizidine alkaloids and, when taken orally can damage hepatic endothelial cells and can cause sinusoidal

  • bstruction, resulting in

severe liver injury.

The injury usually arises within 1 to 2 months of starting the comfrey product.

https://www.botanical.com/botanical/mgmh/c/comfre92-l.jpg

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Penny Royal

Used ¡in ¡aromatherapy, ¡as ¡a ¡ bath ¡addi,ve ¡and ¡as ¡an ¡insect ¡ repellent ¡

Has ¡a ¡strong ¡fragrance ¡similar ¡ to ¡spearmint ¡and ¡was ¡used ¡for ¡ centuries ¡to ¡flavor ¡food ¡

contains ¡the ¡vola,le ¡oil ¡ pulegone ¡

highly ¡toxic, ¡and ¡even ¡small ¡ doses ¡(one ¡tablespoon, ¡15 ¡mL) ¡

Pulegone ¡and ¡its ¡products ¡ deplete ¡glutathionine ¡levels ¡ ¡

http://www.feelnumb.com/2009/11/15/what-is-pennyroyal-tea/ http://www.metroactive.com/papers/metro/ 12.14.95/pennyroyal-9550.html

Classic toxicants

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The Usual Suspects

■ Obesity - nonalcoholic fatty liver disease is the

most common liver disease in the United States.

■ Ethanol – responsible for 11.9% of the of 6729

liver transplants nationwide in 2014, second only to Hepatitis C (18.3%)*. Industrial Exposure was 0.2% of liver transplants.

■ Acetaminophen - was the leading cause of acute

liver failure in the United States, 1998 to 2003.

Corey KE, Kaplan LM. Obesity and liver disease: the epidemic of the twenty-first century. Clin Liver

  • Dis. 2014 Feb;18(1):1-18.

*Organ Procurement and Transplantation Network, US Department of Health and Human Services * Larson AM, Polson J, Fontana RJ, Davern TJ, Lalani E, Lee WM et al. Acute Liver Failure Study Group (ALFSG). Acetaminophen-induced acute liver failure: results of a United States multicenter, prospective study. Hepatology, 2005 Dec; 42(6):1364-72.

DIMETHYLFORMAMIDE (DMF)

■ Termed “the universal solvent” ■ A colorless, water-soluble liquid. Odorless or may

have fishy smell depending on its purity

■ Exposure can occur during the use of ink coatings,

adhesives, in the synthetic leather industry, and in the repair of aircraft. Over 2 million pounds used in the United states in 2014*

■ Reported facial flushing and palpitations after

ingesting alcohol.

*US EPA Toxic Release Inventory

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Dimethylacetamide (DMA)

■ Colorless, water miscible, has a high boiling point,

and is commonly used as a polar solvent.

■ Used as a solvent in the production of X-ray

contrast media; a solvent in the production process

  • f antibiotics like cephalosporins.

Trichloroethylene

■ A clear nonflammable liquid with a sweetish smell

resembling chloroform.

■ Used in the food industry for the decaffeination of

coffee and the preparation of flavoring extracts from hops and spices. Over 2 million pounds used in the United states in 2014*

■ Previously used as an inhaled anesthetic, known to

precipitate cardiac arrhythmias which are exacerbated by catecholamines.

*US EPA Toxic Release Inventory

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Tetrachloroethylene

■ A volatile, highly stable, and nonflammable, used

as a solvent in dry cleaning and metal cleaning.

■ It is also used as a veterinary anti-helmintic,

processing and finishing in the textile industry, as an extraction solvent, grain fumigant, heat- exchange fluid, and in the manufacture of fluorocarbons.

■ It is also used to degrease metal parts in the

automotive and other metalworking industries and appears in certain consumer products including spot removers, paint strippers, silicone lubricants, and food.

Chloroform

■ Chloroform is used to make other chemicals and

can also be formed in small amounts when chlorine is added to water, nearly 400,000 pounds used in the United States in 2014*.

■ Byproduct of water chlorination and the bleaching

  • f paper

*US EPA Toxic Release Inventory

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Epping Jaundice

■ February 1965 – a medical student presents to St.

Margaret's Hospital, Epping, England with abdominal pain and jaundice.

■ 84 people were affected ■ The outbreak was tied to a bakery that had

received contaminated flour.

■ The flour was transported in a van that also carried

chemicals including 4, 4'-diaminodiphenylmethane (MDA) for a large chemical manufacturing company.

Kopelman H, Robertson MH, Sanders PG, Ash I. The Epping jaundice. Br Med J. 1966 Feb 26;1(5486):514-6

Emerging toxicants

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Dietary Supplements

■ 2013 – Outbreak of acute non-viral hepatitis

  • riginating in Hawaii, affecting 97 people; 47 were

hospitalized, 3 received a liver transplant, and 1 death was reported. Traced to OxyElite Pro resulting in an FDA recall

■ 2015 - Oxy ELITE Pro Super Thermogenic found to

contain fluoxetine.

Kava

■ Herbal derived from roots of the plant Piper

methysticum (“intoxicating Pepper” plant)

■ The active ingredients are kavapyrones, which have

effects similar to alcohol, such as relaxation, talkativeness, and euphoria.

■ Patients typically present with fatigue, nausea,

elevations in serum aminotransferase levels, and jaundice 2 to 24 weeks after starting use of the product.

■ The cause of hepatotoxicity from kava is unclear.

Hepatotoxicity may be due to idiosyncratic or immunoallergic pathogenesis.

■ Liver injury subsides within 1 to 3 months of

discontinuing the herbal product.

http://i.ebayimg.com/images/a/ (KGrHqNHJEgFD26r3sFHBQ-tF4o(Cg~~/ s-l300.jpg

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Herbal Supplements

Not regulated in the same way as medications

FDA only requires post marketing surveillance (manufacturers are not required to do any premarketing testing to ensure the supplements are safe or effective as they are for medications)

Over half of all FDA recalls from 2004 – 2014 were dietary supplements, 274 dietary supplements recalled from 2009 - 2012

In a single-center study from China, 138 cases hepatoxicity from a population of > 21,000 patients in Shanghai over the 2- year period, April 2008 – 2010. The leading causes were herbals, accounting for 53.6% of cases, similar to incidences previously reported in other eastern cultures.

Chalhoub WM, Sliman KD, Arumuganathan M, Lewis JH. Drug-induced liver injury: what was new in 2013? Expert Opin Drug Metab Toxicol. 2014 Jul;10(7):959-80. Cohen PA, Maller G, DeSouza R, Neal-Kababick J. Presence of banned drugs in dietary supplements following FDA recalls. JAMA. 2014 Oct 22-29;312(16):1691-3.

Management

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Surveillance ¡

■ Routine medical surveillance should only be

conducted only when exposure assessment suggests a potential for hepatic injury.

■ Poor predictive value of an routine screening

may lead to many costly diagnostic evaluations for nonoccupational liver disease.

■ Preemployment measurement of baseline liver

enzymes may be helpful in establishing causality for purposes of workers’ compensation.

Clinical ¡Evalua+on ¡of ¡a ¡worker ¡ with ¡suspected ¡occupa+onal ¡ liver ¡injury ¡

■ The ¡most ¡common ¡causes ¡of ¡elevated ¡liver ¡enzymes ¡are ¡

inges,on ¡of ¡ethanol ¡and ¡obesity. ¡

■ Other ¡causes ¡of ¡liver ¡disease ¡should ¡be ¡ruled ¡out; ¡infec,ous ¡or ¡

medica,on ¡induced ¡hepa,,s. ¡ ¡

■ If ¡a ¡history ¡of ¡excessive ¡ethanol ¡inges,on ¡is ¡suspected, ¡the ¡liver ¡

enzymes ¡should ¡be ¡repeated ¡aTer ¡4 ¡weeks ¡of ¡abs,nence ¡

■ Persistent ¡serum ¡transaminase ¡eleva,on ¡may ¡represent ¡chronic ¡

  • exposure. ¡ ¡
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Physical ¡Examina+on ¡

■ Mild ¡or ¡early ¡hepatotoxicity ¡may ¡cause ¡few ¡physical ¡findings. ¡ ■ Acute ¡liver ¡disease ¡may ¡present ¡with ¡right ¡upper ¡quadrant ¡

tenderness, ¡hepatosplenomegaly, ¡or ¡jaundice. ¡

■ Chronic ¡liver ¡disease ¡may ¡result ¡in ¡s,gmata ¡such ¡as ¡spider ¡

angiomata, ¡palmar ¡erythema, ¡tes,cular ¡atrophy, ¡ascites, ¡and ¡ gynecomas,a. ¡

Diagnos+cs ¡

■ Liver ¡Injury ¡Tests ¡– ¡enzymes ¡released ¡from ¡injured ¡hepatocytes ¡

◆ aspartate ¡aminotransferase ¡(AST) ¡ ¡ ◆ alanine ¡aminotransferase ¡(ALT) ¡ ¡

✦ Both ¡can ¡be ¡elevated ¡due ¡viral, ¡alcoholic, ¡or ¡ischemic ¡hepa,,s, ¡

extrahepa,c ¡obstruc,on, ¡obesity, ¡or ¡medica,ons ¡

■ Liver ¡Func)on ¡Tests ¡ ¡

◆ Serum ¡Bilirubin ¡ ◆ Clo[ng ¡Factors ¡(PT/INR) ¡

■ Imaging: ¡Ultrasound ¡

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Management ¡

◆ Removal ¡from ¡exposure ¡ ◆ Frequency ¡of ¡monitoring ¡will ¡depend ¡on ¡

suspected ¡level ¡of ¡exposure/injury ¡(can ¡range ¡ from ¡every ¡6 ¡hours ¡to ¡every ¡4 ¡weeks) ¡

◆ Referral ¡to ¡higher ¡level ¡of ¡care ¡(range ¡in ¡

treatment ¡such ¡as ¡glutathione ¡replacement ¡to ¡ liver ¡transplant) ¡

¡

Question 1: Which of the following has the highest potential to cause liver injury?

■ A) Methane ■ B) Chlorobutane ■ C) Carbon Tetrachloride ■ D) Benzene

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Question 2: Which zone of the hepatocyte has the least oxygen content?

■ A) Portal Tract ■ B) Zone 1 ■ C) Zone 2 ■ D) Zone 3

Question 3: The following slide is consistent with:

A) Microvesicular steatoisis from dimethylformamide exposure

B) Macrovesicular steatosis from hydrazine exposure

C) Centrilobular Necrosis from carbon tetrachloride exposure

D) Cirrhosis from ethanol exposure