L'identification de métabolites à haut niveau de confiance maximise les données de l'exposome pour façonner la politique de santé publique

5.0 Introduction

Le dernier chapitre a abordé l'importance d'une métabolomique fiable dans la recherche sur l'exposome. Nous approfondissons ici ce sujet en explorant le rôle de l'identification des métabolites dans l'analyse et l'interprétation des résultats de l'exposome et son impact sur la prise de décision en aval. La biosurveillance joue un rôle crucial dans la compréhension de la manière dont l'exposition aux produits chimiques, aux facteurs environnementaux et à d'autres substances affecte la santé humaine. Les preuves générées par la biosurveillance sont souvent appliquées aux politiques de santé publique et aux lignes directrices réglementaires afin d'éviter les expositions nocives et les mauvais résultats pour la santé. Les mesures des métabolites font partie des preuves que les régulateurs utilisent pour justifier leurs actions, et l'interprétabilité de ces données métabolomiques repose sur l'identification précise des métabolites détectés dans les échantillons biologiques. Dans ce chapitre, nous examinerons les niveaux d'identité des métabolites et les critères utilisés pour les définir, ainsi que des exemples clés où l'identification précise des métabolites a conduit à des changements de politique qui ont amélioré la sécurité humaine en retirant les produits chimiques nocifs des produits de consommation et de l'approvisionnement en eau.

5.1 Identification des métabolites de niveau 1

L'identification précise des métabolites à partir d'expériences de profilage non ciblées est un processus complexe et difficile. Le métabolome est composé de nombreuses petites molécules qui englobent un large éventail de structures chimiques et de caractéristiques ioniques, et beaucoup de ces métabolites existent sous forme d'isomères, qui ont des masses identiques mais des structures différentes. L'identification des métabolites est d'autant plus complexe que les spectres de fragmentation sont très spécifiques d'un instrument LC-MS et de ses paramètres.

Pour promouvoir les meilleures pratiques d'analyse chimique et maximiser l'interprétabilité des données métabolomiques, la Metabolomics Standards Initiative (MSI) a défini cinq niveaux d'identification des métabolites en fonction des preuves disponibles qui étayent l'identité d'un produit biochimique(figure 5.1).

5.1.1 Exposition au bisphénol A

Le bisphénol A (BPA) est un produit chimique industriel utilisé pour fabriquer des plastiques polycarbonates tels que les biberons et les revêtements protecteurs à l'intérieur des récipients alimentaires. On pense que l'exposition au BPA est principalement due à l'ingestion d'aliments conservés dans des récipients revêtus de BPA. De la fin des années 1990 au début des années 2000, plusieurs études ont montré que l'exposition au BPA entraînait des altérations du développement et de la reproduction chez les animaux de laboratoire3^,4. Cette constatation a suscité l'inquiétude des responsables de la santé publique environnementale et les a incités à étudier les concentrations de ce composé dans la population américaine et les effets potentiels de son exposition sur la santé.

En 2008, Calafat et al. ont utilisé des méthodes HPLC-MS/MS à dilution isotopique et des critères d'identification des métabolites de niveau 1 pour analyser des échantillons d'urine de 2 517 participants à l'enquête nationale sur la santé et la nutrition de ^2003-20045. Ils ont montré que le BPA, mesuré par le BPA libre et les métabolites non œstrogéniques du BPA, était détecté chez 92,6 % des participants à l'étude. Des études épidémiologiques de suivi ont montré que les adultes fortement exposés au BPA étaient plus susceptibles de souffrir de maladies coronariennes, de diabète, de dysfonctionnement immunitaire et d'^anomalies des enzymes hépatiques6-8. D'autres études ont fait état d'une association entre des niveaux élevés de BPA et un comportement neurodivergent chez les ^enfants10 et entre l'exposition in utero au BPA et un faible poids de naissance10^,11. Ces résultats, ainsi que les évaluations de la toxicologie et des risques, ont conduit à la décision prise en 2011 par l'Union européenne et le ministère chinois de la santé d'interdire la fabrication de biberons contenant du BPA12^,15. En 2012, ce même changement de politique a été mis en œuvre par la FDA pour les biberons et les tasses à bec vendus aux États-Unis13^,15. Depuis, d'autres pays asiatiques, dont la Malaisie, la Thaïlande, la Corée du Sud et les Philippines, ont interdit le BPA dans les biberons, les tasses à bec et les ^{préparations} pour nourrissons15.

Étant donné que le BPA et ses métabolites non œstrogènes présentent des similitudes structurelles, notamment deux cycles phénoliques reliés par un pont de carbone central, l'identification de niveau 1 de ces composés était essentielle pour générer des données qui pourraient être comparées entre les laboratoires, les institutions et les études menées à des années d'intervalle, afin de conduire à un changement de politique important qui atténuera potentiellement les effets nocifs de l'exposition au BPA sur la santé humaine.

5.1.2 Exposition aux phtalates

Les phtalates (c'est-à-dire les plastifiants) sont des esters d'acide phtalique qui confèrent aux matières plastiques durabilité et souplesse. On les trouve dans les emballages alimentaires, les produits pharmaceutiques, les jouets pour enfants, les adhésifs et les produits de soins personnels. En raison de leur prévalence dans les biens de consommation, des niveaux réguliers de phtalates dans l'urine des enfants et des adultes ont été détectés depuis les années ¹⁹⁷⁰¹⁶. Une fois ingérés, les phtalates sont rapidement métabolisés par un processus en deux étapes(figure 5.2). Tout d'abord, ils sont hydrolysés en métabolites monoesters par les estérases et les lipases. Ces monoesters peuvent ensuite être métabolisés par oxydation ou conjugués à l'acide glucuronique, formant des composés hydrophiles qui sont facilement excrétés dans l'urine.

Des études récentes ont démontré un lien entre l'exposition à certains phtalates pendant l'enfance et l'altération de la santé. Par exemple, le phtalate de di-2-éthylhexyle (DEHP) et le phtalate de butylbenzyle (BBP) peuvent augmenter le risque d'asthme et d'^eczéma17-20. En outre, des études prospectives menées dans quatre cohortes différentes ont montré que l'exposition gestationnelle au BBP, au DEHP, au phtalate de di-butyle (DBP) et au phtalate de di-éthyle (DEP) est associée à des retards dans le développement physique des nourrissons et des enfants en bas âge21^,22 ainsi qu'à un comportement neurodivergent déclaré par les parents9^,23.

Dans chacune de ces études, les phtalates et leurs produits métaboliques ont été mesurés à l'aide de méthodes ciblées validées avec dilution isotopique et matériaux de référence afin de satisfaire aux critères d'identification des métabolites de niveau 1. La confiance élevée dans les espèces biochimiques liées aux effets sur la santé et la possibilité de comparer les données générées sur différentes plates-formes de spectrométrie de masse dans différents laboratoires ont permis de présenter aux autorités réglementaires une quantité substantielle de preuves sur les effets nocifs de ces phtalates.

Ces preuves ont finalement conduit l'Union européenne, les États-Unis et la Chine à limiter les concentrations de DEHP, DBP et BBP à 0,1 % en poids dans les jouets et les produits de puériculture pour ^enfants24-26. Dans l'ensemble, cet exemple montre que l'identification des métabolites avec un niveau de confiance élevé fait partie des fondements d'une recherche rigoureuse et efficace sur l'exposome.

5.1.3 Exposition aux substances perfluoroalkyles et polyfluoroalkyles (PFAS)

Les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) sont un groupe de produits chimiques fluorés largement utilisés dans les produits industriels et commerciaux, notamment les ustensiles de cuisine, les emballages alimentaires, les vêtements et les moquettes. Elles ont été détectées dans le sérum de plusieurs populations dans le monde27^,28, et des études épidémiologiques ont associé la surexposition aux PFAS à des problèmes de santé ^{immunologiques30}, à une croissance et un développement fœtaux ^compromis30 et à des cancers31^,32(figure 5.3).

Ces observations cliniques ont suscité des efforts considérables pour comprendre comment les PFAS pouvaient favoriser l'apparition de ces maladies. De nombreuses études ultérieures ont utilisé des méthodes LC-MS validées et des normes biochimiques pour établir des profils métaboliques non ciblés. Ces études ont montré que le cycle de l'urée et le métabolisme des acides aminés sont affectés par l'exposition aux PFAS, ce qui a des implications sur la résistance à l'insuline et l'insuffisance cardiaque liée au diabète chez les adultes plus âgés. Les carnitines/acylcarnitines ont également été affectées par les PFAS, montrant une altération de l'oxydation des acides gras et une accumulation de lipides dans les tissus, qui sont des facteurs majeurs de l'obésité et de la résistance à l'insuline. Le métabolisme des glycérophospholipides est une autre voie associée à l'exposition aux PFAS, qui a déjà été associée à la progression des maladies cardiovasculaires.

Ces études, qui ont identifié les mêmes perturbations métaboliques induites par les PFAS susceptibles d'être liées à diverses maladies, ainsi que des données de biosurveillance et d'autres données mécanistiques, ont joué un rôle important dans la récente vague de modifications des normes nationales relatives à l'eau potable pour certains PFAS. Ces nouvelles normes limitent les quantités des composés PFAS PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS et HFOP-DA à 4 parties par trillion chacun. Cet exemple démontre l'utilité de la métabolomique non ciblée pour caractériser les relations de cause à effet entre l'exposome et la santé, ainsi que la valeur de l'identification précise des métabolites pour l'interprétation biologique et l'obtention de résultats significatifs.

Comme nous l'avons mentionné plus haut dans ce chapitre, l'identification des métabolites de l'exposome à partir d'expériences de profilage non ciblées est extrêmement difficile, et il est essentiel de disposer de capacités analytiques robustes pour générer des données significatives. Nous notons que la plateforme Global Discovery (c'est-à-dire non ciblée) de Metabolona été validée par rapport à un essai ciblé indépendant à l'Université d'^Uppsala45, et a démontré une forte concordance dans les mesures de métabolites PFAS, soulignant ainsi la robustesse analytique de la plateforme. Ces identifications MSI de niveau 1 apportent la rigueur et la fiabilité nécessaires à l'élaboration de politiques fondées sur des données probantes en matière d'exposition environnementale.

5.2 Conclusions et avantages de Metabolon

L'identification des métabolites de niveau 1 est essentielle pour produire des résultats rigoureux et percutants qui stimulent la découverte scientifique et guident la prise de décision en matière de santé publique et individuelle.

Dans la métabolomique non ciblée, un seul pic MS1 peut correspondre à plusieurs composés dans les bases de données publiques, car de nombreux métabolites partagent la même masse, et les fragments peuvent se chevaucher entre des molécules structurellement apparentées. La plupart des fournisseurs de services métabolomiques signalent toutes les correspondances potentielles avec les bases de données, ce qui gonfle leurs chiffres de couverture tout en laissant le chercheur avec un ensemble de données contenant des identifiants ambigus, ce qui nuit à l'interprétation correcte des données. En outre, de nombreux fournisseurs ne distinguent pas les métabolites d'un ensemble de données qui ont été identifiés avec un niveau de confiance 1 de ceux qui ont été identifiés avec un niveau de confiance plus faible.

Metabolon utilise des normes biochimiques authentiques, la confirmation du temps de rétention et des filtres de plausibilité biologique pour s'assurer que chaque pic se voit attribuer une seule identification fiable au lieu de plusieurs annotations possibles (c.-à-d. ambiguës). Metabolon obtient des preuves de l'identité de chaque métabolite, allant d'une norme biochimique (niveau 1) à la seule masse moléculaire (niveau 5), ce qui permet une interprétation précise des données et la formulation d'hypothèses solides. Metabolon possède également la plus grande bibliothèque de métabolites identifiés de niveau 1 au monde, ce qui lui permet d'offrir une couverture des métabolites d'une ampleur et d'une profondeur inégalées dans l'industrie.

La bibliothèque de Metabolon, associée à nos méthodes d'annotation robustes, donne à nos clients un avantage décisif sur les fournisseurs de métabolomique concurrents et les arme avec les preuves appropriées pour guider la politique.