Introduction à la métabolomique

Définition de la métabolomique

La métabolomique est l'étude des métabolites, ces petites molécules qui sont des réactifs, des intermédiaires et des produits du métabolisme, ainsi que des molécules issues de l'alimentation, de l'exposition à des agents extérieurs et de produits pharmaceutiques. Les métabolites, tout comme les gènes, les transcrits et les protéines, représentent des niveaux différents mais interdépendants des processus cellulaires, organisés selon le dogme central de la biologie. Étant donné que les métabolites constituent généralement l'étape finale des processus cellulaires, ces molécules occupent une position unique pour recevoir des informations provenant du génome, du transcriptome et du protéome.

De plus, ils sont exposés à l'influence directe d'autres facteurs, notamment le microbiome et l'environnement (figure 1). Ainsi, les métabolites jouent non seulement un rôle crucial dans les mécanismes qui influent directement sur le phénotype, mais ils reflètent également l'état biologique en temps réel d'un organisme de manière plus précise que d'autres types de molécules . C'est pourquoi la métabolomique est reconnue pour sa capacité à fournir des informations phénotypiques approfondies qui ne peuvent être déduites de la génomique, de la transcriptomique ou de la protéomique seules.

La capacité de la métabolomique à « compléter le tableau » dans les études omiques a joué un rôle majeur dans l'avancement des découvertes scientifiques, l'accélération du développement de médicaments, la validation de la qualité des produits et la fourniture d'autres informations exploitables qui génèrent des résultats commerciaux mesurables et font progresser la recherche.

Figure 1. Les signaux provenant des molécules cellulaires et des facteurs externes convergent vers les métabolites. Le dogme central de la biologie stipule que les processus cellulaires sont régis par chaque ensemble de molécules qui transmettent un signal en fonction des signaux reçus de celles qui les précèdent. Les métabolites occupent une position unique qui leur permet de recevoir les signaux provenant de chaque ensemble de molécules cellulaires, ainsi que du microbiome et d’autres facteurs externes, ce qui en fait le reflet le plus fidèle du phénotype.

Objectif du présent guide

Dans ce guide, nous aborderons les principes fondamentaux de la métabolomique et passerons en revue des études scientifiques évaluées par des pairs qui démontrent l'utilité de cette discipline dans la recherche fondamentale, la recherche translationnelle et divers secteurs d'application. Ce guide s'adresse tout particulièrement aux chercheurs principaux, aux scientifiques, aux responsables de la R&D et aux stratèges en innovation ; il a pour objectif de vous montrer comment la métabolomique peut enrichir les conclusions des études au-delà des sciences omiques traditionnelles.

Dans ce guide, vous apprendrez :

1. Principes fondamentaux du processus métabolomique, méthodes de profilage et sélection des échantillons (Chapitre 1)
2. Les solutions Metabolonpour relever les défis liés aux études métabolomiques, et en quoi notre approche centrée sur la chimie (chémocentrique) permet aux données Metabolon de se démarquer des autres (chapitre 2)
3. La métabolomique au service des applications commerciales (chapitre 3)
• Développement de médicaments
• Nutrition humaine
• Élevage et santé des animaux de compagnie
4. La métabolomique au service des études translationnelles (chapitre 4)
• Biomarqueurs, mécanismes et cibles thérapeutiques des maladies
5. La métabolomique au service de la recherche fondamentale (chapitre 5)
• Mécanisme
• Microbiome
• Santé de la population
• Autres matrices d'échantillonnage
6. Comment concevoir une étude métabolomique (chapitre 6)

Processus de métabolomique

La métabolomique est généralement réalisée à l'aide de la résonance magnétique nucléaire (RMN) ou de la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS). La RMN identifie et mesure les métabolites en fonction de l'énergie émise par les noyaux cellulaires après leur exposition à un rayonnement électromagnétique. Cette approche présente l'avantage de préserver l'échantillon intact, ce qui permet de réaliser d'autres analyses complémentaires. Cependant, la conservation de l'échantillon implique un compromis en termes de sensibilité, qui est relativement faible avec cette technique. En revanche, la LC-MS offre une sensibilité et une résolution nettement supérieures, et donc un meilleur aperçu scientifique.

Dans un protocole LC-MS, les métabolites sont isolés de leur milieu biologique, séparés les uns des autres par chromatographie en phase liquide (LC), puis analysés par spectrométrie de masse (MS). Les spectromètres de masse fonctionnent en transformant les molécules de l'analyte en un état chargé (ionisé), puis en analysant ces ions ainsi que les fragments ioniques produits au cours du processus d'ionisation. Les métabolites peuvent ensuite être identifiés en comparant les signatures qu'ils produisent en MS, associées à leurs caractéristiques chromatographiques (LC), à une bibliothèque de référence biochimique.

Les vitesses de balayage élevées de la MS permettent un haut degré de multiplexage ainsi que l'identification et la mesure de centaines, voire de milliers de composés en un seul cycle d'analyse. La LC-MS détecte avec précision les métabolites à des concentrations allant du picomolaire au molaire, ce qui permet d'établir un profil biochimique très complet.

Méthodes de profilage

La métabolomique est généralement réalisée selon une approche ciblée ou non ciblée (globale), en fonction de l'objectif de l'étude ou de l'hypothèse à tester. La métabolomique ciblée est une technique quantitative qui permet de détecter et de mesurer un ensemble prédéfini de métabolites, tandis que la métabolomique globale est semi-quantitative et sert à détecter un large éventail de métabolites dans un échantillon biologique sans sélection préalable (figure 2).

La large couverture offerte par la métabolomique globale la rend particulièrement utile pour formuler des hypothèses et mener des études exploratoires, tandis que la métabolomique ciblée est idéale pour valider des résultats antérieurs ou tester une hypothèse liée à un mécanisme connu ou à un ensemble de voies biochimiques. Les caractéristiques de ces deux méthodes de profilage ainsi que leurs applications spécifiques sont illustrées dans les études de cas présentées aux chapitres 3 à 5.

Figure 2. Résumé des approches ciblées et non ciblées.

Sélection de l'échantillon

De nombreuses matrices d'échantillons ont été validées dans les protocoles de métabolomique, notamment, mais sans s'y limiter, divers types de tissus, de cellules, de plantes et de liquides biologiques. Dans certains cas, deux types d'échantillons peuvent être analysés conjointement afin d'évaluer de manière exhaustive un sujet d'intérêt. Par exemple, un chercheur cherchant à caractériser les mécanismes du syndrome du côlon irritable peut établir le profil à la fois du sérum et des selles afin de déterminer comment les altérations du microbiome intestinal affectent les biomarqueurs inflammatoires circulants. De même, un chercheur étudiant le métabolisme du NAD(H) peut analyser le sérum et le tissu musculaire, car certains métabolites des voies du NAD(H) sont plus abondants dans une matrice que dans l'autre ; l'analyse des deux permet donc d'obtenir une image plus complète du flux biologique. La vaste expérience Metabolonen matière de matrices d'échantillons couramment utilisées et alternatives est abordée au chapitre 5.

Points à retenir de ce chapitre

• De par leur ancrage biologique, les sciences métabolomiques permettent de mieux comprendre des processus biologiques qui ne peuvent être déduits à partir des seules autres sciences « omiques ».
• La métabolomique s'appuie soit sur un profilage ciblé, soit sur un profilage non ciblé, et chaque approche est particulièrement adaptée à des types spécifiques de recherche scientifique.
• La métabolomique est compatible avec de nombreux types d'échantillons, ce qui lui confère une large applicabilité dans les disciplines des sciences de la vie et sur les marchés appliqués.

En partant d'une compréhension de base de la métabolomique, nous allons maintenant aborder les défis liés aux études métabolomiques, ainsi que les innovations Metabolon pour y répondre. Nous aborderons également l'approche centrée sur les composés chimiques (chimio-centrique) Metabolonen matière d'analyse des données et expliquerons en quoi elle permet aux données Metabolon de se démarquer du reste du secteur en termes de qualité.