Metabolomica, il futuro nella biochimica clinica

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Mio padre è donatore di sangue, ha più di 60 donazioni alle spalle. Una domanda che mi ponevo di frequente è che fine fa il sangue che lui dona. Così ho iniziato ad analizzare i numeri delle donazioni  nel mondo e quelli associati alla necessità dei riceventi: sono numeri impressionanti. Migliorare questo settore significa salvare milioni di vite ogni anno”.

Nome: Angelo D’Alessandro
Età: 32 anni
Nato a: Canino (VT)
Vivo a: Denver (Stati Uniti)
Dottorato in: Genetica e Biologia molecolare (Viterbo)
Ricerca: Metodi alternativi di conservazione dei concentrati leucocitari.
Istituto: University of Colorado, Anschutz Medical Campus (Denver, USA)
Interessi: scrivo poesie, sono cintura nera di judo.
Di Denver mi piace: ha 300 giorni di sole all’anno.
Di Denver non mi piace: non c’è il mare, non si mangia il pesce.
Pensiero: Volere è potere. (Mia madre, che me lo dice da quando ho due anni)

Cosa è la metabolomica?
È lo studio di tutti i metaboliti di un organismo, cioè delle piccole molecole che si originano dai processi metabolici. Qui a Denver sono direttore del Metabolomics Core, un centro che si occupa principalmente di analisi biochimiche sul sangue donato da volontari. L’obiettivo è identificare marcatori dello stato di salute e malattia dell’individuo col vantaggio di riuscire a osservare fino a 15-20 mila differenti metaboliti in un’unica analisi, invece che i classici 7-8 parametri.

La tecnica si basa su una parte analitica a monte, in cui molecole con una massa inferiore ai 1500 Dalton vengono separate con una cromatografia ad alta efficienza chiamata UHPLC (Ultra High Performance Liquid Cromatography), e una parte successiva in cui, all’interno di uno spettrometro di massa, viene misurato il rapporto massa/carica elettrica.

Quali sono le applicazioni della metabolomica?
Moltissime. In campo clinico, per esempio, permette una diagnosi più accurata delle patologie, e riesce perfino a discriminare stadi diversi di alcuni tipi di tumore. Inoltre, può indirizzare verso approcci terapeutici più efficaci o addirittura personalizzati per un certo background genetico.

Nel mio laboratorio ci occupiamo anche di conservazione dei concentrati di leucocitari a scopo trasfusionale: abbiamo analizzato i campioni di sangue prelevati dai volontari a diversi giorni di conservazione e abbiamo studiato i profili metabolici, cioè come le piccole molecole cambiano nel tempo, in modo da individuare dei marcatori sulla qualità del sangue.

Un altro nostro interesse riguarda la risposta metabolica in condizioni di ipossia, cioè mancanza di ossigeno: Denver si trova a 1500 m di altezza, viene chiamata Mile-High City cioè città alta un miglio, e alcuni nostri esperimenti sono mirati a capire come i globuli rossi reagiscono alle carenze di ossigeno dovute all’esposizione ad altitudini elevate. Lo stesso meccanismo occorre in seguito a shock emorragico, quando cioè a causa di una massiccia perdita di sangue tutti gli organi e i tessuti periferici sono meno irrorati e hanno meno ossigeno a disposizione. Lo shock emorragico è la principale causa di morte al mondo per individui con età inferiore ai 59 anni. Studiare cosa succede ai globuli rossi in queste condizioni ha ovvie applicazioni sia in ambito socio-sanitario che militare, per i soldati feriti in guerra. Il Dipartimento della Difesa americano investe molto in queste ricerche.

C’è un altro progetto a cui stiamo collaborando, collegato al trasporto di nutrienti e ossigeno ai tessuti periferici, focalizzato sull’ibernazione dei mammiferi. Durante questo processo, la temperatura corporea diminuisce, il battito cardiaco rallenta e i tessuti periferici ricevono meno ossigeno. In Alaska e qui nell’area di Denver c’è un tipo di scoiattolo che resiste all’ibernazione e, durante le fasi di risveglio, non manifesta i classici danni da ischemia e riperfusione. Sono animali protetti naturalmente, attraverso lo studio del loro plasma e dei globuli rossi stiamo cercando di capire quali sono i meccanismi molecolari di difesa e adattamento prima e durante l’ibernazione o durante le varie fasi risveglio.

Per quanto riguarda la conservazione del sangue, quali sono gli indici di buona o cattiva qualità?
Semplificando, più i globuli rossi preservano il loro metabolismo energetico e meno manifestano segni di stress ossidativo, meglio è. Dai nostri esperimenti sulle sacche di sangue, abbiamo visto che già dopo due settimane di conservazione i globuli rossi iniziano a mostrare una serie di modificazioni, sia a livello proteico e di metaboliti sia morfologico-strutturale, che influenzano l’efficacia e la sicurezza della terapia trasfusionale.

In Europa e in America, il periodo massimo di conservazione previsto a norma di legge è di 42 giorni. I nostri risultati dimostrano che è necessario ridurre il periodo di conservazione dei concentrati leucocitari e definire approcci alternativi per il mantenimento del sangue.

I dati di medicina trasfusionale sono impressionanti: ogni anno, nel mondo, vengono donate 108 milioni di unità di sangue; solo negli Stati Uniti, ogni giorno, vengono trasfuse 36 mila unità di sangue, cioè 15 milioni all’anno per un totale di circa 5 milioni di riceventi.
Sono pazienti che soffrono di trauma emorragico dopo incidente stradale o ferita da arma da fuoco o ferita penetrante; pazienti che soffrono di malattie emolitiche, come la beta talassemia e l’anemia falciforme; pazienti con tumori del sangue, che dopo l’irradiazione del midollo osseo vanno incontro ad anemia e hanno bisogno di trasfusioni.

Il costo medio della terapia trasfusionale qui in America è di 220-300 dollari a unità: per il sistema sanitario americano fare una trasfusione è un business da circa 4 miliardi di dollari all’anno. Come sappiamo il sistema sanitario americano non è altruistico, è pagato non dai contribuenti ma dalle assicurazioni o dal singolo individuo che ha bisogno della terapia. Abbattere questi costi significa aiutare le persone a indebitarsi meno e, ovviamente, salvare molte più vite.

Una delle startup che ho fondato si dedica appunto alla definizione di parametri alternativi per la conservazione del sangue. In particolare proponiamo di conservare il sangue in soluzioni additive differenti che aumentano la qualità dei globuli rossi e prevengono le tipiche lesioni, come la perdita dell’omeostasi energetica e l’aumento dei marcatori di stress ossidativo.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
La principale è introdurre la metabolomica clinica come applicazione di routine, cioè avere uno spettrometro di massa (o tecnologie equivalenti) in ogni laboratorio di biochimica clinica. In questo modo si potrebbero analizzare fino a 20 mila metaboliti in meno di tre minuti, a partire da una singola goccia di sangue. Il medico avrebbe sotto controllo migliaia di parametri e, con opportuni algoritmi informatici di biologia dei sistemi, si potrebbero definire gli stati di malattia e di salute dei vari pazienti.

Inoltre, con i nostri esperimenti puntiamo a trovare un prodotto, una serie di soluzioni additive per la conservazione del sangue, che possa cambiare le vite dei milioni di pazienti che vengono trasfusi ogni anno.

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