Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/2714
Title: Red blood cell ageing in vivo and in vitro: the Integrated Omics perspective
Other Titles: Invecchiamento del globulo rosso in vivo e in vitro: la prospettiva delle Omiche Integrate
Authors: D'Alessandro, Angelo
Keywords: Red blood cell;Storage lesion;Blood transfusion;Adverse effect;Oxidative stress;Proteomics;Metabolomics;Mass spectrometry;Transfusion medicine;Eritrociti;Lesioni da conservazione;Terapia trasfusionale;Stress ossidativo;Omiche integrate;Proteomica;Metabolomica;Spettrometria di massa;Medicina trasfusionale;BIO/11
Issue Date: 31-May-2013
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 25. ciclo
Abstract: 
At the dawn of the RBC biopreservation-research era, the donor and the recipient were forced to lay side by side.
A sequence of fundamental achievements, from storage solutions to plastic bags and additive solutions have lead to increase the shelf-life of stored RBCs. Cold liquid storage, enabling a 42 –day storage of RBCs, was early paralleled by long-term frozen storage, which potentially allows RBCs to be stored for more than three decades. Notwithstanding this, frozen storage has not hitherto found a broad diffusion due to its elevated costs for required facilities and trained personnel.
Accumulating data over the years showed how the storage processes negatively affect the quality of RBCs, ultimately causing risks to the recipients. These risks are stressed on the critically ill patients.
Strikingly, one entire unit out of four meeting International criteria is rapidly removed from the circulation of the recipient only after 24 hours, owing to the senescent/apoptotic-like process which RBCs undergo during storage. Therefore, notwithstanding its long history, red blood cell storage is still a “work in progress”. Indeed, recent clinical retrospective non randomized trials have stressed the likely harmful potential and the reduced safety and effectiveness of long-stored red blood cells. However, conclusive data from prospective randomized studies are still missing and, although smoke could be seen on the horizons, it is still impossible to draw an unbiased conclusion on the presence of a burning fire nearby.
On the other hand, a growing body of molecular studies has been recently built which underlines the dramatic changes red blood cells undergo during prolonged storage. Although some are reversible (such as pH drop, 2,3-DPG and ATP consumption), other events such as fragmentation and aggregation occur, triggered by many factors, including oxidative damage. These changes irreversibly compromise the erythrocyte physiology and thus its functionality, survival and immunogenic/pro-inflammatory potential upon reinfusion to the recipients.
In this chapter, we summarize the recent past of the RBC biopreservation research, by focusing on a few milestones and pointing out future perspectives.
Moreover, RBC storage lesions will be briefly listed out. All these notions will contribute to depict a well-rounded portrait of the happenings at the molecular levels during RBC storage.In particular, reactive oxygen species seem to be the eligible trigger for these lesions and the main contributor to the final quality loss (both at the macroscopic and microscopic levels) of RBCs. Hereby we describe alternative storage protocols which have been proposed in order to overpass these hurdles, such as RBC anaerobic storage.
For the foreseeable future, the “quality issue” should become a top priority in the RBC biopreservation field and early attempts to prevent storage lesions appear to be a preferable option.Definitive clinical evidence is awaited to resume these whole observations under a unique question: the need for a new storage protocol. Whether this will become a priority, alternative storage strategies could represent a clue for a not-yet definitely posed question.
At the end of this thesis, upon evaluating currently allowed (either hypothermic and cryostorage) and recently proposed storage strategies (i.e. anaerobic storage), we will outline the necessity to wonder whether researchers should continue to pursue a longer storage or start focusing on a protocol to ensure a better one. In this view, we will also mention in this chapter the “antioxidant additive solution” perspective, which will be tested as well through Omics technologies within the framework of this PhD thesis project.

All’alba dell’era della biopreservazione, donatore e ricevente erano costretti a giacere l’uno accanto all’altro.
L’introduzione di una serie di innovazioni fondamentali, dalle soluzioni di raccolta alle unita’ in plastica, fino alle soluzioni additive hanno permesso di estendere progressivamente la durata del periodo di conservazione delle emazie concentrate. La conservazione ipotermica dei concentrati eritrocitari (per un massimo di 42 giorni) fu presto affiancata da strategie alternative, come la crioconservazione, un protocollo che potenzialmente permette di conservare gli eritrociti per piu’ di tre decadi. Nonostante cio’, la crioconservazione non ha fin qui goduto di un’ampia diffusione, a causa dei costi elevati in termini di strutture, attrezzature e personale qualificato.
Una vasta serie di dati raccolti nel corso degli ultimi decenni hanno dimostrato come il processo di conservazione finisca per inficiare la qualita’ delle emazie concentrate, esponendo i riceventi ad un potenziale rischio.
Nelle trasfusioni multi-unita’, una su quattro viene rapidamente rimosta dal torrente circolatorio del ricevente entro le prime 24 ore dalla somministrazione della terapia trasfusionale, a causa dei processi di senescenza/apopotosi che interessano gli eritrociti durante il periodo di conservazione. Pertanto, nonostante le pratiche trasfusionali abbiano goduto di continui miglioramenti nell’ultimo secolo, il protocollo di conservazione perfetto e’ ancora lungi dall’essere individuato. Ad avvalorare tale conclusione giungono a supporto una serie di risultati da studi clinici retrospettivi non randomizzati, in cui si evidenzia la potenziale ridotta efficacia e sicurezza della terapia trasfusionale basata su emazie concentrate conservate a lungo. Tuttavia, si attendono ancora dati conclusivi da studi prospettivi randomizzati in doppio-cieco e, sebbene si possa intravvedere del fumo all’orizzonte, non sarebbe ancora metodologicamente corretto trarre conclusion circa la presenza di un fuoco divampato nelle vicinanze.
Tuttavia, studi molecolari hanno recentemente costruito un vero e proprio corpus di evidenze circa il progressivo accumulo di alterazioni, le cosiddette, lesioni da conservazione, a carico degli eritrociti durante il periodo di conservazione. Sebbene alcune siano relativamente reversibili (come la diminuzione del pH e il consume di 2,3-DPG e ATP), altri eventi come la frammmentazione e aggregazione di proteine non lo sono. Questi ultimi eventi, principalmente promossi dallo stress ossidativo e da lesioni “metaboliche”, finiscono per compromettere irreversibilmente la fisiologia e la funzionalita’ dell’eritrocita, influenzandone negativamente la sopravvivenza e l’immunogenicita’ a seguito della somministrazione della terapia trasfusionale.
In questo lavoro di tesi, riassumeremo il recente passato del settore della conservazione delle emazie concentrate, focalizzando l’attenzione su alcune pietre miliari e indicando prospettive future.
Inoltre, elencheremo e descriveremo nel dettaglio le lesioni da conservazione. Queste nozioni di base contribuiranno a dipingere un quadro esaustivo degli eventi molecolari che hanno luogo durante il periodo di conservazione in emoteca. In particolare, evidenzieremo come le lesioni da stress ossidativo sembrino giocare un ruolo chiave nei meccanismi di alterazione a danno degli eritrociti (sia a livello macroscopico – fenotipo – che molecolare – proteine, metaboliti, lipidi).
Alla luce di queste evidenze sperimentali, proporrremo delle strategie alternative per il miglioramenteo della conservazione delle emazie concentrate, come lo storage anaerobico.
Per il futuro prossimo, il problema della “qualita’”, piuttosto che semplicemente della durata, del processo di conservazione restera’ al centro dell’attenzione di trasfusionisti e ricercatori nel settore ematologico/trasfusionale. In particolare, sara’ importante cercare di prevenire, piuttosto che tamponare, quei processi molecolari (come l’accumulo di stress ossidativo e la deplezione delle reserve energetiche) alla base dei fenomeni che inducono le cosiddette lesioni da conservazione. Nel frattempo, si attendono definitive evidenze cliniche (medicina basata sulle evidenze) circa la necessita’ di strategie di conservazione alternative.
A tal riguardo, l’ultima parte di questo lavoro di tesi sara’ basato sulla valutazione dell’efficacia di strategie di conservazione alternative gia’ disponibili (crioconservazione) o proposte a livello di ricerca di base (conservazione anaerobica o in presena di antiossidanti).
Gli approcci sperimentali per la valutazione della qualita’ delle emazie concentrate conservate in emoteca, ovvero in assenza di ossigeno o in presenza di antiossidanti, si baseranno su tecniche all’avanguardia di Omiche Integrate (proteomica, metabolomica e lipidomica) basate su spettrometria di massa.
Description: 
Dottorato di ricerca in Genetica e biologia cellulare
URI: http://hdl.handle.net/2067/2714
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