DEBtox Researc


Wat is GUTS?

GUTS staat voor "General Unified Threshold model for Survival". Oftewel, een modelkader voor het analyseren van toxiciteitstesten voor het eindpunt "overleving". De methode is uitermate geschikt voor het analyseren van de resultaten van standaard acute testen (zoals de 4-dagen tests met vissen, en de 2-dagen test met Daphnia). Het "unified" slaat op het feit dat bijna alle modellen voor de analyse van mortaliteitsdata kunnen worden gezien als speciale gevalen binnen het GUTS-kader. Meer achtergrondinformatie over GUTS. De meeste simpele "special case" van GUTS was in 2006 al opgenomen in leidraden van de OECD en de ISO onder de noemer "biology-based methods". Download de OECD leidraad.
 
GUTS vervangt dus de standaard dosis-response-analyses die gebruikt wordt om een LC50 af te leiden. Voordelen van een GUTS analyse:
  • Parameters van het model worden geschat op basis van alle datapunten (alle behandelingen en elk observatietijdstip). Dit betekent een grotere betrouwbaarheid, maar ook dat datasets kunnen worden geanalyseerd die anders onbruikbaar zijn (bijv. omdat er geen partiële sterfte is aan het einde van de test).
  • Het is geen probleem als de blootstellingsconcentratie niet constant is in de tijd, mits het verloop bekend is (of geschat kan worden).
  • Het is geen probleem als de dieren groeien (of krimpen) tijdens de test, mits de verandering in grootte gemeten is (of geschat kan worden).
  • Het is geen probleem als dieren verdwijnen uit de test zonder dat ze doodgaan door de geteste stof (bijv. ontsnapte dieren, duidelijke experimentele fouten, dieren uit de test genomen voor destructieve analyses). De informatie dat de dieren op een bepaald tijdstip nog in leven waren wordt meegewogen in de analyse.
  • De parameters van het model kunnen gebruikt worden om een LCx,t (met betrouwbaarheidsinterval) te berekenen, voor elk effectpercentage x en elk tijdstip t (extrapolatie naar niet-geteste blootstellingsduur is dus mogelijk).
  • De parameters van het model kunnen gebruikt worden om mortaliteit te voorspellen (met betrouwbaarheidsinterval) voor elk mogelijk blootstellingsprofiel (bijv. de profielen die geproduceerd worden door fate-modellen).
  • De methode kan gebruikt worden voor het analyseren en voorspellen van multistresseffecten (mengsels van stoffen en combinaties van stoffen en milieuomstandigheden).
Dr. Tjalling Jager (een van de ontwikkelaars van GUTS) treedt op als adviseur voor deze werkzaamheden van Bongers EcoTox Services.

Een praktisch voorbeeld

De voordelen van de GUTS-aanpak zijn het best te verduidelijken met een voorbeeldanalyse op een typische dataset. De gebruikte data zijn voor het insecticide fenvaleraat in fathead minnows (Pimephales promelas). Het testontwerp omvat 6 behandelingen (incl. een controle) met 20 dieren per behandeling, en 4 dagen waarop de overleving gescoord wordt. Normaal gesproken wordt van deze dataset alleen het resultaat op dag 4 gebruikt om een LC50 te berekenen (wat hier problematisch is omdat er maar één behandeling met partiële mortaliteit is).
 
Bron voor data: Geiger, D.L., Brooke, L.T., Call, D.J. (1990). Acute toxicities of organic chemicals to fathead minnows (Pimephales promelas) Volume V. Center for Lake Superior Environmental Studies, University of Wisconsin-Superior, USA
Deze data kunnen geanalyseerd worden met GUTS. Hier is de fit gemaakt met het speciale geval "hazardmodel met geschaalde interne concentraties" (identiek aan de methode zoals beschreven in de leidraad van ISO en OECD). Links de fit op de dataset, en rechts de 4 gefitte parameters met hun betrouwbaarheidsinterval.
 
De geen-effect-concentratie (of NEC) moet worden gezien als de concentratie die geen effect op sterfte geeft, zelfs na langdurige blootstelling (natuurlijk onder de aanname dat het model correct is). De "eliminatiesnelheid" bepaalt de snelheid waarmee de interne concentratie van het dier in evenwicht komt met de concentratie in het medium (het is een combinatie van de toxicokinetische eliminatie en eventuele transformatieprocessen en receptor- en schadekinetiek).

De modelparameters kunnen nu vervolgens gebruikt worden om de diverse schattingen te genereren. Bijvoorbeeld voor de LC50 tegen de tijd (met 95% betrouwbaarheidsinterval), en zelfs voor de LC50 na 8 dagen (een extrapolatie o.b.v. de gefitte parameters).
 
De LC50 hangt af van de tijd, en na langdurige blootstelling komt de waarde steeds dichter bij de geen-effect-concentratie te liggen (de "incipient LC50" is dus gelijk aan de NEC). In dit geval bereikt de LC50 snel zijn uiteindelijke waarde, wat komt door de relatief hoge waarde voor de eliminatiesnelheid. De waarde voor de standaard 4d-LC50 ligt veel nauwkeuriger vast dan bij een standaard dosis-response-analyse omdat alle data gebruikt zijn.

De parameters kunnen ook gebruikt worden om de sterfte ten gevolge van een specifiek blootstellingspatroon (bijv. de resultaten van een fate model) te voorspellen. De voorspelling hangt op de aanname dat het model correct is en geldt voor de overige omstandigheden in de experimentele test (temperatuur, geen voedsel, grootte en soort vis, etc.). Als voorbeeld hieronder een voorspelling van de sterfte (rechts, met 95% betrouwbaarheidsinterval) ten gevolge van een blootstellingsscenario met twee pulsen (links) van fenvaleraat:

Wetenschappelijke literatuur, selectie:

  • Ashauer R, Wittmer I, Stamm C and Escher BI (2011). Environmental risk assessment of fluctuating diazinon concentrations in an urban and agricultural catchment using toxicokinetic-toxicodynamic modeling. Environ Sci Technol 45 (22):9783-9792. DOI 10.1021/es202413a
  • Ashauer R, Thorbek P, Warinton JS, Wheeler JR and Maund S (2013). A method to predict and understand fish survival under dynamic chemical stress using standard ecotoxicity data. Environ Toxicol Chem 32(4):954-965. DOI 10.1002/etc.2144
  • Jager T, Albert C, Preuss TG, Ashauer R (2011). General Unified Threshold model of Survival - a toxicokinetic-toxicodynamic framework for ecotoxicology. Environ Sci Technol 45:2529-2540. DOI 10.1021/es103092a
  • Jager T (2014). Reconsidering sufficient and optimal test design in acute toxicity testing. Ecotoxicology 23(1):38-44. DOI 10.1007/s10646-013-1149-7
Een uitgebreide lijst van publicaties over survivalmodellering en GUTS is te vinden op DEBtox.info.

Bongers EcoTox Services, www.bongers-ets.nl, Kamer van Koophandel 62404563