Dévoiler l'exposome grâce à la plateforme métabolomique complète de Metabolon

4.0 Introduction

4.1 Métabolomique fiable pour l'évaluation des expositions

Comme nous l'avons vu dans le dernier chapitre, les principaux défis de la recherche sur l'exposome sont l'annotation précise des substances biochimiques, l'obtention d'une couverture suffisante des voies métaboliques et les limites inhérentes aux matrices d'échantillonnage elles-mêmes. En tant que leader de l'industrie, Metabolon a développé des innovations qui peuvent offrir des solutions à ces défis.

Méthodes de chromatographie multiples. Afin d'accorder la plus grande confiance possible à l'identité des métabolites, en particulier des isomères et des produits biochimiques dont la structure est similaire, les échantillons sont soumis à plusieurs méthodes de chromatographie optimisées pour séparer les composés hydrophiles, hydrophobes, basiques et acides. L'utilisation de plusieurs méthodes permet d'obtenir une meilleure séparation des composés et d'intégrer une redondance analytique dans la méthode afin que les composés dont les caractéristiques chimiques se chevauchent puissent être identifiés avec la plus grande certitude.

Outils d'acquisition et d'analyse des données. Le logiciel propriétaire de Metabolonrésout le problème de la couverture inadéquate des voies en permettant d'annoter rapidement des milliers de substances biochimiques provenant de plus de 70 voies, puis de les aligner avec les données de la littérature scientifique. Ces outils permettent également de fusionner des données métabolomiques provenant d'études menées à des moments différents et de les intégrer à d'autres ensembles de données -omiques afin de maximiser la compréhension biologique et l'interprétabilité. En outre, ces outils maximisent la reproductibilité des résultats.

Expérience avec divers types d'échantillons. Dans certains cas, la compréhension du contexte biologique des expositions nécessite l'analyse de plus d'un type d'échantillon. Metabolon dispose d'une grande expérience avec une variété de matrices d'échantillons, y compris le plasma, le sérum, l'urine, les fèces, la salive et de multiples types de tissus. Dans d'autres cas, la production de données d'exposome ayant un impact nécessite la collecte et l'analyse d'échantillons provenant de groupes éloignés ou de groupes disposant de peu de ressources. Metabolon possède également une grande expérience des taches de sang séché (DBS), qui peuvent être collectées, stockées et expédiées facilement et à moindre coût, ce qui constitue une solution potentielle à ce défi logistique.

Identification des métabolites de la plus haute précision, confirmée par des normes de référence authentiques (MSI niveau¹², voir le chapitre 5 pour plus de détails sur l'annotation des métabolites). Cela permet d'avoir confiance dans les identifications de métabolites, ce qui est essentiel pour tirer des conclusions biologiques correctes et pour générer des données reproductibles qui peuvent favoriser la découverte et informer les politiques.

La fiabilité de l'annotation et de la quantification des approches non ciblées est un autre défi auquel est confrontée la recherche sur l'exposome. La riche bibliothèque d'étalons de référence authentiques de Metabolon, associée à des contrôles de qualité rigoureux, permet à notre Global Discovery Panel démontrer sa capacité à saisir la complexité de l'exposome avec une grande fiabilité. Une étude menée à l'université d'Uppsala a montré une forte corrélation entre les métabolites PFAS identifiés à l'aide du Discovery Panel de Metabolonet les résultats d'un essai ciblé indépendant(figure 3.1⁾³. Cette concordance illustre le fait que la métabolomique large et non ciblée peut fournir des données avec la même fiabilité que les méthodes ciblées traditionnelles. Cette validation confirme que l'approche de Metabolonest à la fois large et précise, garantissant que les découvertes à travers l'exposome sont biologiquement significatives et quantitativement fiables. Cette force analytique renforce le rôle de la plateforme en tant que pierre angulaire de la couverture complète de l'exposome.

Figure 4.1 : MCorrelation d'une méthode ciblée (axe des x) pour mesurer le SPFO (à gauche) et le PFHxS (à droite) par rapport au Global Discovery Panel Metabolon(axe des y). Figure adaptée et modifiée d'après Salihovic 2024 et ^al3

4.2 Couverture de l'exposome

La plateforme Global Discovery de Metabolonest bien adaptée à l'évaluation de l'exposome interne et de l'exposome externe spécifique (voir chapitre 1). Le Global Discovery Panel détecte divers xénobiotiques, contaminants environnementaux et produits microbiens classés par source :

• • Applications industrielles
    Recherche sur les produits chimiques, les plastiques, les métaux, les intermédiaires pharmaceutiques, les produits chimiques industriels, les polymères, les retardateurs de flamme et les HAP.
  • Produits de consommation
    Colorants, aromatisants, conservateurs, additifs de produits naturels, caféine, composés liés au tabac, cosmétiques et additifs alimentaires.
  • Activités anthropiques
    Signatures provenant de l'agriculture (par exemple, pesticides, herbicides, fongicides), des sous-produits de la cuisson, du ruissellement de l'eau, de la gestion des déchets et de la pollution urbaine.
  • Produits chimiques persistants et halogénés
    PFAS, produits organiques halogénés et autres polluants à longue durée de vie.
  • Métabolites dérivés de l'alimentation
    Polyphénols, flavonoïdes et métabolites de la caféine.
  • Produits pharmaceutiques
    Analgésiques, antibiotiques, anti-inflammatoires, antinéoplasiques, antiviraux, cardiométaboliques et autres classes de médicaments.
  • Métabolisme médié par les microbiomes
    Métabolisme du tryptophane/indole, des acides aminés aromatiques et des acides biliaires.

En plus de notre Global Discovery PanelMetabolon dispose d'une série de panels ciblés qui permettent une quantification absolue des métabolites de l'exposition :

Le régime alimentaire d'une personne, la composition de son microbiote intestinal et sa réponse systémique à ces facteurs biologiques sont des éléments importants de l'exposome interne et externe. La formation d'acides gras à chaîne courte (AGCC) résulte d'une interaction complexe entre l'alimentation, le microbiote intestinal et l'hôte. Les AGCC influencent la physiologie du côlon en servant de sources d'énergie pour les cellules de l'hôte et le microbiote intestinal et en participant à divers mécanismes de signalisation de l'hôte. Le panel ciblé sur les acides gras à chaîne courte fournit une quantification absolue de 9 métabolites et est disponible pour une utilisation dans le cadre de la recherche uniquement (RUO) ou des bonnes pratiques cliniques (GCP), en fonction du type d'échantillon.

4.3 Historique de la détection dans les différentes matrices

Des décennies d'études de profilage métabolique ont permis à Metabolon d'accumuler des connaissances importantes sur l'identité de diverses classes de molécules de l'exposome. L'annotation de l'exposome est particulièrement délicate car, dans les échantillons biologiques, les produits chimiques environnementaux sont généralement présents à des concentrations plus faibles (traces ou sub-nanomolaires) que les métabolites endogènes. De plus, contrairement aux composés endogènes, qui sont constamment produits et régulés par des voies métaboliques, les substances chimiques environnementales pénètrent dans l'organisme de manière sporadique et varient en fonction de la fréquence d'exposition, de la voie d'exposition et du métabolisme de l'individu. En outre, de nombreuses substances chimiques environnementales subissent une biotransformation et une élimination rapides, ce qui se traduit par une présence transitoire ou une conversion en divers métabolites peu abondants. Par conséquent, le fait de disposer d'un long historique de détection peut contribuer de manière significative à l'identification précise des métabolites de l'exposome.

Le tableau 4.1 montre l'historique de la détection des expositions environnementales dans le plasma à l'aide de la bibliothèque de référence biochimique de Metabolon. Metabolon travaille avec une grande variété de matrices. Il est important de noter que les schémas de détection des métabolites dépendent de la matrice car, en fonction de la biologie, la bioaccumulation peut se produire dans des tissus spécifiques. Metabolon ajoute fréquemment de nouveaux métabolites à la bibliothèque au fur et à mesure que notre compréhension de l'exposition et de son impact progresse.

L'étendue de la couverture fournie par la bibliothèque de Metabolongarantit une détection robuste des biomarqueurs d'exposition, qu'ils soient communs ou rares, dans divers contextes biologiques.  

Tableau 4.1 : Résumé de la fréquence à laquelle certaines classes de molécules de l'exposome sont détectées avec le niveau de confiance MSI le plus élevé (niveau 1). LIB totale = Total des métabolites dans la bibliothèque pour chaque catégorie.

4.4 Conséquences de l'exposition : Aperçu de la biologie en aval

Bien que la mesure directe des expositions telles que les produits chimiques, l'alimentation, les médicaments et les comportements (l'exposome externe spécifique) fournisse des informations précieuses sur les influences environnementales, il est essentiel de comprendre également leurs conséquences biologiques si l'on veut connaître le véritable impact sur la santé (l'exposome interne). De nombreux métabolites exogènes sont volatils, instables ou rapidement éliminés, ce qui les rend difficiles à détecter de manière cohérente à différents moments ou chez différents individus. En revanche, les réponses métaboliques en aval qu'ils déclenchent, notamment l'inflammation, le stress oxydatif ou la perturbation du métabolisme énergétique, sont souvent plus persistantes et mesurables. En saisissant à la fois l'exposition et son empreinte biologique, les chercheurs obtiennent une vision plus complète et plus exploitable du risque, de la résilience et des mécanismes de la maladie. Le profilage de Metabolonpermet d'examiner en détail les conséquences physiologiques de l'exposition à l'environnement grâce à :

4.4.1 Analyse de la perturbation des voies d'accès

Les expositions perturbent souvent des réseaux biochimiques essentiels, notamment :

• • Métabolisme des lipides
  • Métabolisme des acides aminés
  • Production d'énergie mitochondriale

Les polluants atmosphériques tels que les PM2,5, NO2, PM10 et O3 sont connus pour exacerber l'asthme par le biais du stress oxydatif, de l'inflammation et de l'activation immunitaire. Dans la cohorte Children's Health Study, l'impact métabolique et transcriptomique de l'exposition aux polluants à court et à long terme a été évalué4. La dérégulation du métabolisme de la bêta-alanine et de la glycine a été corrélée à un mauvais contrôle de l'asthme après une exposition aux PM2,5 et au NO2. Une augmentation du stress oxydatif a été observée après une exposition aux PM10 et à l'O3. En outre, un mauvais contrôle de l'asthme était négativement associé à l'aspartate, à la choline et à la carnosine. Cette étude montre comment la métabolomique permet de comprendre comment les expositions perturbent les voies. Comprendre les conséquences des polluants atmosphériques chez les asthmatiques permet de développer des modalités préventives et thérapeutiques.

4.4.2 Profilage de la réponse biologique

Les dysfonctionnements associés à l'exposition sont notamment les suivants

• • Stress oxydatif et déséquilibre redox
  • Dysfonctionnement mitochondrial
  • Modulation du système immunitaire
  • Perturbations hormonales

Dans une étude sur la peau réalisée par le Sino-German Cosmetics Institute, la métabolomique et la métagénomique 16S ont été combinées pour explorer l'impact de la pollution atmosphérique chronique sur la santé de la peau humaine en affectant à la fois la barrière cutanée et le microbiote5. Les chercheurs ont examiné des femmes de deux villes présentant des niveaux de pollution différents afin d'identifier les associations entre l'exposition environnementale, la composition du microbiote cutané, les profils métaboliques et les signes cutanés visibles. Ils ont constaté que la pollution aggravait les troubles cutanés, notamment l'eczéma, l'acné, les lentigines et les rides, et que les modifications du microbiome contribuaient à ces effets. Le profilage métabolomique non ciblé a révélé des perturbations dans le métabolisme des lipides et des acides aminés, notamment des niveaux élevés d'acide pyrrolidone carboxylique (PCA), un facteur hydratant clé qui résulte de la protéolyse de la filaggrine, ce qui pourrait être une réponse compensatoire aux polluants environnementaux. En fin de compte, l'étude a montré que la métabolomique fournit une lentille fonctionnelle pour observer directement comment la pollution façonne biochimiquement la chimie et l'apparence de la peau.

4.4.3 Associations de résultats en matière de santé

Les profils de métabolites liés à l'exposition sont associés à la progression de la maladie dans de grandes études de cohortes. Par exemple, dans la cohorte COPSAC, les signatures d'exposition prénatale et au début de la vie sont en corrélation avec l'inflammation infantile et le risque de maladie métabolique6. La métabolomique longitudinale non ciblée réalisée sur des échantillons de sérum de mères (enceintes et en post-partum) et de leurs enfants a démontré que le risque d'asthme était corrélé à une exposition maternelle plus élevée aux SPFO, indépendamment de l'inflammation, de la réponse immunitaire et des altérations épigénétiques. L'évaluation des changements métaboliques au fil du temps a permis aux chercheurs de tracer une ligne claire entre l'exposition et les résultats à long terme de l'asthme, ce qui a permis d'élaborer des stratégies de prévention applicables.

Résumé

La plateforme de Metabolonpermet aux chercheurs de décoder l'exposome en fournissant :

• Détection spécifique de diverses expositions environnementales.
• Interprétation biologique grâce à la métabolomique validée et non ciblée.
• Une vision translationnelle reliant l'exposition à la biologie de la maladie.

Alors que la métabolomique devient un élément central de la science de l'exposition, les outils de Metabolonsont particulièrement bien placés pour permettre une recherche de précision en santé environnementale et une stratification des risques à l'échelle de la population, notamment parce que Metabolon offre des solutions à certains des aspects les plus difficiles de la recherche sur l'exposition. Ces défis et l'approche de Metabolonpour les relever sont résumés dans le tableau 4.2.

Tableau 4.2