Diagnostic approach to canine idiopathic epilepsy and paroxysmal dyskinesia: possibilities and limitations for the use of gluten-sensitivity serum markers and advanced electroencephalography

Rogers, Casey, Beatrice

Dissertation 2024 CC BY 4.0

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Diagnostic approach to canine idiopathic epilepsy and paroxysmal dyskinesia : possibilities and limitations for the use of gluten-sensitivity serum markers and advanced electroencephalography

German
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Ziel dieser Dissertation war es moderne, diagnostische Verfahren zur Differenzierung zwischen idiopathischer Epilepsie (IE) und paroxysmaler Dyskinesie (cPD) beim Hund zu untersuchen. Es wurde eine retrospektive Untersuchung zur serologischen Bestimmung der Gluten-sensitivität bei Hunden mit cPD durchgeführt. Des Weiteren wurde der derzeitige Standard zur Platzierung von Oberflächenelektroden evaluiert und im dritten Teil ein humanmedizinisches, subdermales Elektroenzephalographie (EEG)-System beim Hund implantiert und auf Praktikabilität untersucht. CPD ist eine neurologische Störung, die durch plötzliche, episodische Muskelkontraktionen oder -bewegungen bei Hunden gekennzeichnet ist. Diese als Paroxysmen bezeichneten Episoden treten in der Regel ohne Vorwarnung auf und können verschiedene Muskelgruppen betreffen, was zu unwillkürlichen Bewegungen wie Zittern, Zuckungen oder dystonen Körperhaltungen führt. cPD-Episoden sind oft kurz und selbstlimitierend, wobei die betroffenen Hunde zwischen den Episoden ein normales Verhalten und Allgemeinbefinden zeigen. Während dieser Episoden bleiben die Hunde bei Bewusstsein, was sie von generalisierten, tonisch-klonischen Anfällen der IE unterscheidet. IE bei Hunden bezieht sich auf wiederkehrende Anfälle ohne erkennbare Ursache. Sie können generalisiert oder fokal auftreten, was zur Folge hat, dass fokale Anfälle oft schwierig von den Episoden der cPD zu unterscheiden sind. Der Diagnoseprozess für IE und cPD umfasst einen vielschichtigen Ansatz, bei dem verschiedene klinische Bewertungen und diagnostische Tests kombiniert werden, um die beiden Erkrankungen zu diagnostizieren und im besten Fall voneinander differenzieren zu können, um eine adäquate Behandlung zu gewährleisten. Neben einer gründlichen Anamnese, die Aufschluss über Anfallshäufigkeit, Dauer und mögliche Auslöser gibt, wird eine allgemeine und neurologische Untersuchung durchgeführt. Zusätzlich werden Blutuntersuchungen durchgeführt, um Stoffwechselstörungen oder Infektionskrankheiten auszuschließen, die die Anfallsaktivität verursachen können (Stufe 1). Bildgebende Verfahren wie MRT- oder CT-Scans werden eingesetzt, um die Struktur des Gehirns zu beurteilen und strukturelle Anomalien oder Läsionen zu erkennen, die mit Epilepsie in Verbindung gebracht werden könnten (Stufe 2). Ein entscheidender Bestandteil der Diagnose von IE ist jedoch das EEG, das die elektrische Aktivität des Gehirns misst und wertvolle Erkenntnisse über abnorme Gehirnaktivitäten im Zusammenhang mit Anfällen liefert. Bei Hunden mit Verdacht auf Epilepsie können EEG-Aufzeichnungen die Diagnose bestätigen, indem sie abnormale Muster der Hirnaktivität während und zwischen Anfällen aufzeigen. Dieser objektive Nachweis hilft bei der Erstellung einer endgültigen Diagnose, insbesondere in Fällen, in denen klinische Anzeichen allein nicht schlüssig sind (Stufe 3). In dieser Arbeit wurden drei Studien durchgeführt, um die Möglichkeiten und Grenzen einer Erweiterung des diagnostischen Ansatzes für IE bei Hunden zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die Krankenhausunterlagen von Hunden ausgewertet, in denen das Serum auf Anti-Gliadin- und Transglutaminase-Immunglobuline getestet wurde. Es wurden 31 Hunde analysiert, welche cPD-charakteristische Episoden aufwiesen, und bei denen klinische Untersuchungen durchgeführt wurden, die der Stufe 1 oder 2 für Epilepsie bei Hunden entspricht. In 16/31 Fällen wurden zusätzlich die Ernährung der Hunde und Episodenbeschreibungen oder Videos der Episoden untersucht. In einer Nachuntersuchung wurde das Wohlbefinden der Hunde und die Reaktion auf die Ernährungsumstellung bei den Patientenbesitzern erfragt. Bei den beiden folgenden Studien handelte es sich jeweils um Kadaverstudien mit 22 bzw. acht Hunden. Die Hunde wurden nach ihrer Euthanasie mit schriftlichem Einverständnis ihrer Besitzer zu wissenschaftlichen Zwecken gespendet. Die Hunde wiesen dolicho-, meso- und brachycephale Schädelformen auf. Die erste Kadaverstudie untersuchte die subdermale, manuelle EEG-Elektrodenplatzierung unter Verwendung eines EEG-Positionierungsstandards von Pellegrino und Sica (2004). Die Positionierung der Elektroden zu den angestrebten kortikalen Regionen (CR) wurde anschließend mit einem Neuronavigationssystem und zuvor angefertigten MRT-Sequenzen überprüft. Die Ausrichtung und mögliche Abweichung von der gewünschten CR, die die Elektrode überlagern sollte, wurden dokumentiert. Zusätzlich wurde untersucht, ob das Neuronavigationssystem auch für die Platzierung von Oberflächen-elektroden Verwendung finden kann. In der zweiten Kadaverstudie wurde getestet, ob ein humanes, implantierbares EEG (UNEEG medical, 2024) bei Hunden eingesetzt werden kann. Das Implantat wurde über zwei Zugänge implantiert, einen subkutanen und einen submuskulären Zugang. Beide Ansätze wurden in einem cross-over Modell bei allen acht Hunden getestet. Nach der Implantation der Elektrode und jedem Zugang wurde eine CT-Untersuchung durchgeführt, um die Position des Implantats zu beurteilen. Die CTs wurden zusätzlich zur Vermessung des Schädels der Hunde verwendet. Die Ergebnisse der Studien bestätigten die Hypothese, dass die Gluten-sensitive paroxysmale Dyskinesie (GSPD) bei Hunden auch bei anderen Rassen als dem bisher beschriebenen Border Terriern vorkommt. Vierzehn von einunddreißig Hunden wurden positiv auf Glutensensitivität getestet, wobei entweder Gliadin-IgG oder Transglutaminase-2 IgA oder beide Werte erhöht waren. Bei sieben Hunden wurde die Serologie als fragwürdig eingestuft, da die Gliadin-IgG- oder Transglutaminase-Werte leicht erhöht waren. Zehn Hunde wurden negativ getestet. Den Berichten der Besitzer zufolge traten bei fünf der positiv getesteten Hunde nach der Umstellung auf eine streng glutenfreie Ernährung keine Episoden mehr auf, wobei einer der Hunde nach der Fütterung mit glutenhaltigen Leckereien zweimal einen Rückfall erlitt. Bei drei Hunden verringerte sich die Häufigkeit der Episoden um mehr als 50 %, und bei zwei Hunden traten die Anfälle kürzer und weniger intensiv auf. Dies zeigt, dass es den Test auf Glutensensitivität zu einem nützlichen Instrument für die Diagnose der GSPD bei Hunden macht und darüber hinaus bei der Unterscheidung zwischen IE und cPD und der Diagnose der Ätiologie der cPD hilft. Diese Arbeit hat zudem gezeigt, dass die Platzierung von Oberflächenelektroden, die nur anatomische Orientierungspunkte des Schädels verwenden, aufgrund der hohen Variabilität der Kopf- und Gehirnformen von Hunden nicht in der Lage ist, spezifische Gyri genau darzustellen. Insgesamt befand sich nur die Hälfte der Elektroden direkt über der vorgesehenen CR. Allerdings lagen nur 3 % nicht über dem anvisierten kortikalen Lappen. Die Verwendung des Neuronavigationssystems für die Elektrodenplatzierung gewährleistete eine konsistente und reproduzierbare Positionierung aller Elektroden, die gut mit der erforderlichen CR übereinstimmte. Mit diesem Ansatz konnte die Notwendigkeit einer manuellen Identifizierung von anatomischen Strukturen umgangen werden, die bei der EEG-Bewertung aufgrund der inhärenten Unterschiede zwischen den Patienten zu Fehlern führen kann. Schließlich wurde die dritte Hypothese bewiesen, dass humane, subdermale EEG-Geräte bei Hunden implantiert werden können und zukünftig in der IE-Diagnostik Anwendung finden sollten. Das Gerät konnte erfolgreich bei Hunden im submuskulären Ansatz implantiert werden. Mit einer kontinuierlichen Überwachung und potenziell gezielteren Behandlungsstrategien, die sich aus implantierten EEG-Geräten ergeben, besteht das Potenzial, die Lebensqualität von Hunden mit IE durch eine Verringerung der Anfallshäufigkeit und -schwere zu verbessern. Aus translationaler Sicht hat die kontinuierliche EEG-Aufzeichnung bei Hunden zudem das Potenzial, unser Verständnis der Pathophysiologie der Epilepsie und ihrer Behandlung zu verbessern. Die kontinuierliche EEG-Überwachung bei Hunden kann ein wertvolles präklinisches Modell für die Evaluierung neuartiger Antiepileptika und Forschungstherapien darstellen. Die Möglichkeit, die Wirksamkeit, Sicherheit und Verträglichkeit von Arzneimitteln im Kontext einer natürlich vorkommenden Krankheit bei Hunden zu bewerten, kann aufschlussreiche Erkenntnisse liefern, die letztlich die Ergebnisse für Menschen mit Epilepsie verbessern könnten. Die Ergebnisse der Studien liefern wertvolle Erkenntnisse über bestimmte Aspekte des diagnostischen Ansatzes von IE und cPD und zeigen, dass sie bei individuellen Patienten eine Erweiterung der Diagnostik bewirken können.

The aim of this thesis was to evaluate whether testing for gluten sensitivity in dogs can aid in differentiating idiopathic epilepsy (IE) and canine paroxysmal dyskinesia (cPD). Additionally investigating the current standard for electroencephalography (EEG) electrode placement in dogs and whether alternatives for surface EEGs could be used in canine IE and cPD. Furthermore, this thesis discusses the possibilities and limitations of augmenting the diagnostic approach for canine IE. CPD is a neurological disorder characterized by sudden, episodic muscle spasms or movements in dogs. These episodes, known as paroxysms, typically occur without warning and can affect various muscle groups, leading to involuntary movements such as tremors, jerks, or dystonic postures. cPD episodes are often brief and self-limiting, with affected dogs returning to normal function between episodes. During these episodes dogs remain conscious, differing from generalized tonic clonic seizures seen in IE. IE in dogs refers to recurrent seizures with no identifiable cause. These can be generalized or focal, with secondary being difficult to differentiate from episodes seen in cPD. The diagnostic process for IE and cPD involves a multifaceted approach, combining various clinical assessments and diagnostic tests to accurately identify and manage the condition. It is categorised into three tiers of confidence levels for the diagnosis of IE. Alongside a thorough clinical history and physical examination to gather information about seizure frequency, duration, and potential triggers, blood tests are employed to rule out metabolic disorders or infectious diseases that may cause seizure activity (Tier I). Neuroimaging techniques such as magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography (CT) scans are utilized to assess the structure of the brain and identify any structural abnormalities or lesions that could be associated with epilepsy (Tier II). However, a crucial component of the diagnosis of IE is EEG. EEG is a diagnostic tool that measures the electrical activity of the brain, providing valuable insights into abnormal brain activity associated with seizures. In dogs suspected of having epilepsy, EEG recordings can confirm the diagnosis by detecting abnormal patterns of brain activity during and between seizures. This objective evidence helps to establish a definitive diagnosis, especially in cases where clinical signs alone may be inconclusive (Tier III). This thesis conducted three studies to investigate the possibilities and limitations of augmenting the diagnostic approach for canine IE. The first study retrospectively assessed dog’s hospital records in which serum was tested for anti-gliadin and transglutaminase. Thirty-one dogs showing episodes characteristics for cPD and having undergone a work-up consistent with Tier I or Tier II confidence level for canine epilepsy were analysed. The dogs’ diets and episode descriptions or videos in 16 out of 31 cases were additionally studied. A follow-up was held to inquire on the dogs’ wellbeing and responses to diet change. The following two studies consisted of cadaver studies using 22 dogs and the second one using eight dogs. The dogs were donated to science following their euthanasia with written consent from their owners. The dogs included dolicho-, meso- and brachycephalic skull shapes. The initial cadaver study analysed the manual placement of EEG electrodes using an EEG positioning standard by Pellegrino and Sica (2004). Subsequently, a neuronavigation system was employed to verify the alignment of the electrodes with their corresponding cortical regions (CR). Furthermore, the study investigated the feasibility of using the neuronavigation system for surface electrode placement. Any deviation from the desired CR was documented. The aim of the second cadaver study was to test whether an implantable EEG (UNEEG medical, 2024) designed for humans could be fitted in dogs. The implant was inserted using two approaches: subcutaneous and submuscular. Both approaches were tested in all dogs. After the implantation and each approach, a CT scan was performed to evaluate the position of the implant. The CT scans were also used to take cranial measurements of the dogs. The studies confirmed the hypothesis that canine gluten-sensitive paroxysmal dyskinesia (PGSD) occurs in breeds beyond Border Terriers, making testing for gluten sensitivity a useful tool for diagnosing PGSD in dogs. Additionally aiding in differentiating IE and cPD and diagnosing an aetiology of cPD. Fourteen out of thirty-one dogs tested positive for gluten-sensitivity with either Gliadin IgG or Transglutaminase-2 IgA or both ratios elevated. In seven dogs, serology was classified as questionable with Gliadin IgG or Transglutaminase ratios mildly elevated. Ten dogs tested negative. According to the owners’ reports five of the dogs that tested positive had no further episodes after switching to a strictly gluten-free diet, with one of the dogs relapsing twice after being fed gluten containing treats. Three dogs experienced a reduction in episode frequency of more than 50%, and two dogs showed shorter and less intense episodes. This thesis demonstrates that surface electrode placement using only anatomical landmarks of the skull is unable to accurately represent specific gyri due to the high variability in canine head and brain shapes. In total, merely half of the electrodes were located directly above the intended CR. However, only 3% did not overlay the targeted cortical lobe. Utilizing the neuronavigation system for electrode placement ensured consistent and reproducible positioning of all electrodes, aligning well with the necessary CR. This approach circumvented the need for manual landmark identification, which tends to introduce unreliability in EEG assessments due to inherent variations among patients and examiners. Lastly, the third hypothesis was proven, which that subcutaneous EEG devices could be implanted in dogs, qualifying them for further research into the use of implantable EEG devices in canines with IE. Implantable EEG devices could lead to continuous monitoring and potentially more targeted treatment strategies, which could improve the quality of life for dogs with IE by reducing seizure frequency and severity. From a translational perspective, the use of continuous EEG recording in dogs has the potential to enhance our understanding of epilepsy pathophysiology and its treatment. Continuous EEG monitoring in dogs can provide a valuable preclinical model for evaluating new anti-epileptic medications and investigational therapies. Evaluating drug effectiveness, safety, and tolerability in dogs with naturally occurring diseases can provide valuable knowledge to improve outcomes for human epilepsy patients. The studies’ outcomes offer insight into the diagnostic approach of IE and cPD and show that the adjunctive use of these tools could benefit individual patients when adding them to the diagnostic approach.