Lo scopo degli analizzatori ematologici è quello di fornire informazioni utili per la caratterizzazione dello stato di salute del sistema ematologico del paziente. Questi strumenti hanno anche supportato significativi progressi nella nostra comprensione della fisiologia umana. La caratterizzazione pratica della salute da parte di un analizzatore ematologico è limitata sia da sfide tecniche che impediscono misurazioni più accurate sia da lacune nella nostra comprensione della fisiopatologia, che compromettono la nostra capacità di tradurre le misurazioni in azione clinica. Il moderno analizzatore ematologico rappresenta un grande progresso nelle capacità tecniche, fornendo misurazioni ad alta produttività e ad alta risoluzione delle caratteristiche dei singoli globuli rossi (RBC) per decine di migliaia di cellule.
La quantificazione della dinamica dei globuli rossi sarebbe complementare alla quantificazione statica dell’emocromo
I tradizionali indici di emocromo completo (CBC) derivati da queste misurazioni sofisticate forniscono una valutazione dettagliata dello stato corrente del sistema ematologico di un paziente: valutazione della capacità di trasporto dell’ossigeno totale da parte dei livelli di ematocrito (HCT) o emoglobina (HGB), misurazione del volume corpuscolare medio (MCV) dei globuli rossi, Hb corpuscolare medio (MCH), concentrazione di Hb corpuscolare media (MCHC) e una valutazione della entità di variazione in volume tra 1 RBC ed il successivo ( ampiezza di distribuzione dei globuli rossi RDW). Questa caratterizzazione multivariata dello stato in essere del sistema ematologico è rilevante per lo screening, la diagnosi e il monitoraggio di quasi tutte le malattie. L’emocromo completo (CBC) è uno dei test clinici più utilizzati e aiuta a guidare la diagnosi e il trattamento di quasi tutte le malattie. Riassume le caratteristiche di base delle popolazioni di globuli circolanti, inclusa la variazione del volume dei singoli globuli rossi (RBC), quantificata dal suo coefficiente di variazione (CV) e chiamata larghezza di distribuzione dei globuli rossi o RDW. Recentemente, è stato scoperto che un RDW più elevato è significativamente associato a un aumento del rischio per una gamma notevolmente ampia di morbilità e mortalità: mortalità per tutte le cause, mortalità per malattie cardiache, malattie polmonari, sepsi e cancro; complicazioni nell’insufficienza cardiaca e gravità della malattia coronarica; stadio e grado avanzato e per molti tumori; sviluppo di diabete, broncopneumopatia cronica ostruttiva, ictus, anemia e molti altri.
Tuttavia, la popolazione degli RBC circolanti è in costante cambiamento, con circa 2.000.000 nuovi RBC che passano dal midollo osseo al circolo sanguigno periferico ogni secondo mentre circa lo stesso numero viene eliminato o riciclato. La conoscenza dei tassi di cambiamento nella popolazione RBC circolante fornirebbe informazioni complementari sul sistema ematologico del paziente, supportando inferenze più accurate degli stati precedenti e dei suoi probabili stati futuri.
La conta dei reticolociti fornisce una rapida visione del valore della dinamica dei globuli rossi
Il conteggio automatizzato dei reticolociti rappresenta un valido mezzo per una valutazione degli aspetti dinamici del sistema ematologico. La conta automatizzata dei reticolociti consente una stima del tasso di produzione degli RBC, e questa stima può aiutare a distinguere tra anemie con cause diverse, distinguendo ad esempio quelle risultanti da deficit produttivi da quelle risultanti da emolisi o altri processi distruttivi. L’attuale uso clinico della conta reticolocitaria automatizzata fornisce anche un esempio del valore aggiunto ottenuto combinando misurazioni ad alta risoluzione con modelli quantitativi di fisiologia. In particolare, è possibile effettuare distinzioni e previsioni diagnostiche più sottili combinando questa nuova quantificazione di un processo fisiologico con indici CBC tradizionali come HCT o HGB, che valutano le dimensioni della popolazione di RBC circolanti. In base alla odierna conoscenza dei meccanismi omeostatici fisiologici, ci si aspetta che una lieve anemia inneschi un aumento compensatorio della produzione di reticolociti e si presuppone che un’anemia più significativa inneschi un aumento più significativo della produzione di reticolociti. La conta dei reticolociti è un esempio di inferenza basata su modelli meccanicistici per misurazioni cliniche di laboratorio. Utilizzando un modello incentrato sulla relazione fisiologica quantitativa tra tasso di produzione di globuli rossi e anemia, l’entità di una conta dei reticolociti può essere confrontata con l’entità dell’anemia e si può valutare se i sistemi fisiologici del paziente stanno rispondendo in modo adeguato. Ad esempio, se c’è un livello di HCT o HGB diminuito e la conta dei reticolociti è aumentata, la valutazione qualitativa sarebbe che la risposta del paziente risulta appropriata e che l’anemia non sembrerebbe causata da un deficit di produzione. La conta dei reticolociti corretta o l’indice di produzione dei reticolociti sono calcoli basati su modelli, che forniscono una valutazione più sfumata dell’output eritropoietico e consentono interpretazioni diagnostiche più precise. Sebbene il conteggio automatizzato dei reticolociti rappresenti un progresso tecnico significativo, di comprovato valore clinico, la misurazione stessa è imprecisa, con misurazioni ripetute dello stesso campione di sangue che variano di oltre il 10% e misurazioni ripetute nella stessa persona sana che variano di ben 30 %. Il fatto che una stima così approssimativa del tasso di produzione di globuli rossi sia così utile sottolinea il potenziale valore clinico di altre valutazioni, anche grossolane, delle dinamiche della popolazione di globuli rossi
La stima della maturazione dei globuli rossi e del livello della clearance richiede un modello
La conta dei reticolociti fornisce una valutazione del tasso di produzione dei globuli rossi, ma non ci sono modi corrispondenti per valutare il tasso di maturazione dei globuli rossi che si verifica durante la durata di circa 110 giorni dei globuli rossi nella circolazione, né c’è un modo per valutare il tasso di eliminazione dei globuli rossi (clearance). Altre misurazioni di laboratorio clinico come la bilirubina e l’aptoglobina forniscono alcune informazioni vaghe sul turnover dei globuli rossi, ma hanno un valore limitato. Il turnover degli RBC è difficile da studiare. Sono stati sviluppati metodi che solitamente prevedevano la marcatura, la reinfusione e il prelievo seriale di sangue. Altre tecniche che utilizzano l’esalazione monossido di carbonio sono auspicabili, in quanto sono meno invasive e non richiedono settimane di preparazione e più prelievi di sangue, ma esse hanno altri limiti, inclusa la scarsa precisione. Una migliore comprensione della variazione e del controllo della durata dei globuli rossi può suggerire migliori marcatori dell’età dei globuli rossi. Nel frattempo, è possibile utilizzare modelli matematici per fornire una stima iniziale della maturazione e del turnover dei globuli rossi. Senza un modello di invecchiamento dei globuli rossi, la clearance dei globuli rossi non può essere misurata in modo non invasivo. I singoli globuli dovrebbero essere monitorati per molte settimane fino al momento della loro alienazione e oltre, cosa che al momento non è fattibile. Le stime della maturazione e della clearance dei globuli rossi richiedono quindi un modello ma, come i conteggi automatizzati dei reticolociti, è probabile che, anche se grossolani, forniscano nuove informazioni sulla fisiologia e nuove applicazioni diagnostiche. I moderni analizzatori ematologici forniscono set di dati sofisticati e ad alta produttività, che rappresentano una grande opportunità per migliorare notevolmente la caratterizzazione della salute ematologica. In particolare, queste misurazioni della popolazione ad alta risoluzione forniscono dati sufficienti per supportare inferenze sulle dinamiche della popolazione RBC: quanto velocemente le caratteristiche degli RBC cambiano nella popolazione circolante e quanto questi tassi variano da 1 RBC al successivo e molti di essi cambiano nel tempo . Esistono molte caratteristiche misurabili dei globuli rossi e molte di esse cambiano nel tempo. Uno studio sulle dinamiche della popolazione dei globuli rossi potrebbe concentrarsi su molte caratteristiche cellulari differenti.
Studi scientifici di base mostrano aspetti della dinamica della popolazione dei globuli rossi
La popolazione degli RBC è in costante flusso.
Circa 2 milioni di cellule dal midollo osseo entrano nel flusso sanguigno periferico di un soggetto sano ogni secondo , mentre un equivalente numero di globuli rossi viene eliminato. Il globulo rosso normalmente rimane in circolo da 100 a 120 giorni, prima di essere riciclato e rimpiazzato. Studi scientifici di base hanno dimostrato molti caratteristici cambiamenti durante la permanenza dei globuli rossi nel circolo periferico: il volume diminuisce di circa il 20% (iniziale ~115 fl una finale ~ 80 fl) la massa di emoglobina si riduce di circa il 15% (~35 pg al giorno 1 per una finale ~28 pg 100-120 giorni dopo) , la superficie viene ridotta, il rapporto superficie/volume aumenta, si formano micro vescicole che vengono poi eliminate, la simmetria della fosfatidil-serina cambia. Molti altri cambiamenti dei singoli globuli rossi avvengono in contesti specifici, e la base fisiologica e le implicazioni non sono attualmente ancora comprese per la maggior parte di essi. Le misure del volume di ogni singolo globulo rosso forniscono maggiori informazioni relativamente al processo ematologico che avviene in vivo rispetto a quelle fornite dai soli valori delle medie. La combinazione della identificazione e conta automatizzata dei reticolociti con queste singole misure cellulari, fornisce questo livello di dettaglio in modo stratificato per età. Alcuni analizzatori di laboratorio, tra cui l’analizzatore Mindray BC-6800 PLUS, forniscono contemporaneamente la misura del volume e della concentrazione di emoglobina di ogni singolo RBC e la concentrazione di colorante di ogni singolo reticolocita. Queste misure forniscono una caratterizzazione multidimensionale ad alta risoluzione (volume, concentrazione di emoglobina, stato dei reticolociti) della intera popolazione degli RBC e della popolazione dei reticolociti.
Studi empirici della dinamica del volume in vivo
È noto che i giovani globuli rossi sono più grandi delle cellule mature o senescenti. Con l’avvento dei conteggi automatizzati dei reticolociti, è diventato possibile quantificare la differenza di volume tra i giovani globuli rossi e quelli più maturi. Ci sono ancora molte domande aperte riguardo al processo molecolare o cellulare che regola questi cambiamenti di volume, ma attraverso misurazioni ad alta risoluzione delle distribuzioni di volume dei globuli rossi, il cambiamento può essere quantificato e le ipotesi a riguardo del meccanismo possono essere testate. Studi sperimentali hanno anche scoperto che la dimensione o ogni globulo rosso continua a diminuire, anche se più lentamente, dopo la prima fase rapida che si è verificata all’inizio della vita in circolo dei globuli rossi.
Studi empirici sulla dinamica del contenuto di emoglobina in vivo
Alcuni moderni analizzatori ematologici misurano la concentrazione in HB di ogni singolo RBC contemporaneamente alla misurazione di ogni singolo volume. Sebbene la concentrazione di HB sia la caratteristica direttamente riportata da questi strumenti, è concettualmente più semplice lavorare con la massa o il contenuto di Hb di un singolo RBC invece che con la concentrazione di Hb, perché i cambiamenti simultanei nel volume dei GR complicano l’interpretazione. Moltiplicando la concentrazione di HB del singoli globulo rosso per la misurazione del volume dello stesso , è semplice derivare la massa HB, con l’avvertenza che la massa HB è derivata da due valori riportati dallo strumento e può essere meno accurata di ogni valore riportato singolarmente e che il calcolo può anche essere influenzato e correlato da qualsiasi eventuale errore nella determinazione dei due valori. La massa RBC è in gran parte determinata dalla massa Hb e la densità RBC è quindi in gran parte determinata dalla concentrazione HB.
I cambiamenti iniziali dell’emoglobina sono più significativi
La densità dei globuli rossi, e quindi la concentrazione di HB nei globuli rossi, sembra aumentare durante la prima settimana circa dopo che un reticolocita è entrato in circolazione. Poiché anche il volume dei globuli rossi sta diminuendo durante questo periodo, un aumento netto della concentrazione di Hb richiede che il contenuto di Hb non debba diminuire così tanto.
I successivi cambiamenti dell’emoglobina sono meno pronunciati
Inferenze sulle successive modifiche nel contenuto di emoglobina degli RBC possono essere fatte dalle misurazioni del volume di globuli rossi e della concentrazione di HB. Dopo la prima settimana circa di circolazione, la densità dei globuli rossi e la concentrazione di Hb non cambiano notevolmente. Recenti misurazioni indipendenti con una precisione estremamente elevata supportano la conclusione che c’è poca variazione nella densità dei globuli rossi nell’intera popolazione cellulare, che rappresenta cellule di tutte le età.
Nel complesso, sembra che per un singolo reticolocita che entra nella circolazione periferica dal midollo osseo, il volume cambi di una quantità del 10% nella settimana circa e il contenuto di Hb diminuisca di circa il 7%. Il volume e il contenuto di Hb di una singola cellula possono continuare a diminuire più lentamente durante i 3 mesi rimanenti della durata di vita dell’RBC, con le riduzioni totali dopo la prima settimana paragonabili a quelle che si verificano durante la prima settimana, ma a velocità inferiori . Questi cambiamenti di volume e di contenuto di HB sono regolati in modo tale che vi sia una piccola variazione nella concentrazione di HB nei singoli globuli rossi da 1 cellula all’altra.
Quantificazione delle dinamiche di popolazione dei globuli rossi nel laboratorio clinico
Un modello concettuale e matematico può essere derivato per il volume RBC e le dinamiche HB da questi studi scientifici di base. Il modello può essere combinato con le misurazioni ad alta risoluzione disponibili su alcuni moderni analizzatori ematologici per quantificare le dinamiche della popolazione RBC per singolo paziente.
Figura 1
Dinamica della popolazione dei GR e determinanti della variazione di volume.
I reticolociti entrano nella circolazione dal midollo osseo (pannello A, in alto a destra). Il volume e la distribuzione dell’emoglobina per i reticolociti di un tipico individuo sano sono mostrati come contorni blu che racchiudono il 75, 50 e 25% dei reticolociti con un cerchio blu in corrispondenza della media. I reticolociti maturano in globuli rossi, circolando per circa100-120 giorni, diventando circa 30% più piccoli e perdendo circa 20% della loro emoglobina, con traiettorie simulate mostrate come frecce nere. Il volume totale dei globuli rossi e la distribuzione dell’emoglobina dell’individuo sano sono mostrati come contorni rossi che racchiudono il 90, 75, 50 e 25% delle cellule, con le medie mostrate come un cerchio rosso. I globuli rossi senescenti vengono eliminati e riciclati prima di raggiungere una soglia che dipende dal volume cellulare e dall’emoglobina, con vc (in basso a sinistra) che designa quella soglia per il tipico RBC con concentrazione di emoglobina uguale alla media della popolazione. La variazione nella distribuzione del volume dei globuli rossi (istogramma rosso) è quantificata dal suo coefficiente di variazione, chiamato larghezza di distribuzione dei globuli rossi o RDW.
Riferimenti Bibliografici
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