Chapitre 2

Multiomics Techniques and Their Uses

Background

Multiomics approaches including but not limited to some combination of genome-wide association studies, transcriptomic profiling, proteomics interaction mapping, metagenomic sequencing, and metabolomic biochemical profiling, provide insights into the molecular dynamics of disease pathogenesis that is unattainable with any individual omics technology. However, harmonizing these heterogeneous datasets into comprehensive biological models remains challenging due to omics-specific analytical platforms, missing values, and differences in dynamic ranges and data dimensionality. In response, a new generation of computational methods have emerged, which combines statistical learning, artificial intelligence (AI), network biology, and causal inference to integrate diverse molecular datasets. These technologies are transforming multiomics from a descriptive research tool to an engine for mechanism-driven drug discovery, biomarker development, clinical trial optimization, and precision medicine.

Machine Learning

Among the most influential advances are latent representation learning methods, which transform multiple omics datasets into a shared low-dimensional latent representation while preserving biologically meaningful sources of variation. Algorithms including Multi-Omics Factor Analysis Plus (MOFA+), totalVI, canonical correlation analysis (CCA), and partial least squares (PLS)-based approaches identify shared biological variation despite substantial differences between sequencing, mass spectrometry, and ELISA2-4. As a result, interactions between genes, proteins, metabolites, and other omics are modeled simultaneously, enabling characterization of changes in signaling cascades, transcriptomic landscapes, and metabolic fluxes that orchestrate disease pathogenesis.

The rapid adoption of multimodal AI has helped accelerate multiomics integration. Deep neural networks, multimodal transformers, and biological foundation models are capable of learning complex, non-linear relationships across several omics datasets. Since these models are usually trained by self-supervised learning, they can discover latent biological patterns without the need for extensive manual annotation. Thanks to transfer learning, models developed in one disease area can be adapted for another, reducing the amount of experimental data needed for new applications. At the same time, AI approaches, including Shapley Additive Explanations (SHAP), integrated gradients, attention mechanisms, and feature attribution algorithms, help identify which molecules are responsible for a model’s predictions, improving biological interpretation5-7.

Computational Frameworks

Network biology has become central to many fields in the life sciences. Frameworks including Similarity Network Fusion (SNF), graph neural networks, Bayesian networks, and biological knowledge graphs enable prior biological knowledge to be combined with experimental multiomics data8-11. These network-based methods identify disease modules, characterize signaling pathways, predict previously unrecognized drug-target interactions, and reveal compensatory mechanisms that frequently underlie therapeutic resistance. Since they preserve biological context, graph-based approaches have become particularly valuable for identifying novel therapeutic targets and understanding how molecular perturbations impact biological systems.

Batch Correction and Data Harmonization

As datasets are often generated across multiple clinical sites, sequencing centers, contract research organizations, and international consortia, appropriate data harmonization is essential to avoid the masking of genuine biological signals. Algorithms such as Harmony, ComBat, mutual nearest neighbors, and deep learning-based domain adaptation methods substantially reduce platform- and batch-specific technical variation while preserving biologically meaningful signals across integrated multiomics datasets12-15. These methods enable investigators to combine legacy datasets with newly generated data, dramatically increasing statistical power while facilitating large-scale biomarker discovery and validation.

Single-Cell and Spatial Multiomics

Traditionally, molecular data is averaged across millions of cells. Single-cell and spatial multiomics measure several molecular layers within individual cells while preserving their spatial organization inside tissues. Analytical platforms such as Seurat v5 and MultiVI integrate diverse single-cell and spatial omics modalities, including transcriptomic, proteomic, metabolomic, and spatial imaging data16, 17, while downstream frameworks such as CellChat and NicheNet leverage these integrated datasets to infer cell-cell communication and reconstruct tissue cellular ecosystems at higher resolution18, 19. Collectively, these analytical frameworks have enabled investigators to reconstruct tumor microenvironments at single-cell resolution, identify rare drug-resistant cellular populations, map complex immune-cell communication networks, and visualize patients-specific differences in therapeutic response and disease progression20-24.

Causal Inference

Traditional association studies identify molecular features that correlate with disease, but they have limited ability to distinguish causal drivers from secondary consequences. Modern computational approaches, including Mendelian randomization, Bayesian causal networks, structural equation modeling, dynamic causal modeling, perturbation-based network inference, and CRISPR-informed computational models, can be combined with harmonized multiomics datasets to reconstruct causal biological pathways25-29. This shift from correlation to causation substantially improves confidence that newly identified therapeutic targets are biologically meaningful and more likely to translate into clinical benefit.

Future Directions

Beyond individual applications and sectors, harmonized multiomics is reshaping disease biology itself. Instead of classifying diseases solely by histology or clinical presentation, investigators are defining molecular endotypes based on integrated genomic, transcriptomic, proteomic, metabolomic, and immune signatures. This systems-level approach has already transformed precision oncology, where molecular classification guides therapeutic selection. Similar strategies are rapidly emerging for neurodegenerative disease, autoimmune disorders, and inflammatory bowel disease. Ultimately, novel harmonization and analytical strategies as described above are shifting disease research and drug development from descriptive molecular profiling towards predictive and mechanistic biology. These advances promise to not only accelerate drug discovery but also to improve target selection, reduce clinical trial attrition, identify robust biomarkers, and deliver truly individualized therapies.

With some of the most innovative and cutting edge multiomics techniques in mind, we will now discuss key studies that show how multiomics was used to spur scientific discovery or provide a means to improve outcomes for patients with cancer (Chapter 3), neurodegenerative diseases (Chapter 4), or inflammatory bowel disease (Chapter 5). We hope that seeing multiomics in action helps researchers gain a new appreciation for its scientific value and impact.

Références

1. Zgoda-Pols, J.R., et al., Une analyse métabolomique révèle une élévation du sulfate de 3-indoxyle dans le plasma et le cerveau lors d'une lésion rénale aiguë d'origine chimique chez la souris : étude des agonistes des récepteurs de l'acide nicotinique. Toxicol Appl Pharmacol, 2011. 255(1) : p. 48-56.

2. Bryant, J.A., et al., L'impact d'un traitement oral à base de microbiome purifié sur le microbiome gastro-intestinal. Nat Med, 2026. 32(1) : p. 186-196

3. McGovern, B. H., et al., « SER-109, un médicament expérimental ciblant le microbiome visant à réduire les récidives après une infection à Clostridioides difficile : enseignements tirés d'un essai de phase II ». Clin Infect Dis, 2021, 72(12), p. 2132-2140.

4. Feuerstadt, P., et al., SER-109, un traitement oral à base de microbiome contre les infections récurrentes à Clostridioides difficile. N Engl J Med, 2022. 386(3) : p. 220-229.

5. Hu, Z., et al., La métabolomique ciblée met en évidence de nouveaux biomarqueurs diagnostiques du cancer colorectal. Mol Oncol, 2025. 19(6) : p. 1737-1750.

6. Butler, F.M., et al., Les habitudes alimentaires végétariennes et les métabolites liés à l'alimentation sont associés à la fonction rénale dans la cohorte de l'étude Adventist Health Study-2. J Ren Nutr, 2025.

7. Stanford, J., et al., « Profilage métabolomique et évaluation de la qualité de l'alimentation dans le cadre d'un essai croisé randomisé portant sur des régimes alimentaires sains et courants ». Mol Nutr Food Res, 2025. 69(23) : p. e70271.

8. O’Connor, L.E., et al., Profilage métabolomique d’un régime alimentaire ultra-transformé dans le cadre d’un essai alimentaire croisé randomisé et contrôlé mené à domicile. J Nutr, 2023. 153(8) : p. 2181-2192.

9. Fritsch, D.A., et al., La fonction du microbiome est à la base de l'efficacité d'une intervention alimentaire enrichie en fibres chez les chiens souffrant de diarrhée chronique du gros intestin. BMC Vet Res, 2022. 18(1) : p. 245.

10. Leal, L.N., et al., « Un apport nutritionnel adéquat avant le sevrage améliore la productivité laitière et réduit le risque d'abattage chez les vaches Holstein ». J Dairy Sci, 2025. 108(6) : p. 5875-5888.

11. Ahsin, M., et al., La santé des sols et des pâturages est à l'origine de l'amélioration de la densité nutritionnelle de la viande bovine, telle que déterminée par la métabolomique non ciblée dans les systèmes d'élevage bovin nourri à l'herbe du sud des États-Unis. NPJ Sci Food, 2025. 9(1) : p. 151.

12. Yin, W., et al., Profil lipidique plasmatique chez différentes espèces pour l'identification de modèles animaux optimaux de la dyslipidémie humaine. J Lipid Res, 2012. 53(1) : p. 51-65.

13. Porter, F. D., et al., Les produits d'oxydation du cholestérol constituent des biomarqueurs sanguins sensibles et spécifiques de la maladie de Niemann-Pick de type C1. Sci Transl Med, 2010. 2(56) : p. 56ra81.

14. Needham, B. D., et al., Profils des métabolites plasmatiques et fécaux dans les troubles du spectre autistique. Biol Psychiatry, 2021. 89(5) : p. 451-462

15. Li, C., et al., L'estradiol et mTORC2 agissent en synergie pour favoriser la biosynthèse des prostaglandines et la tumorigenèse dans les cellules LAM déficientes en TSC2. J Exp Med, 2014. 211(1) : p. 15-28.

16. Green, P.G., et al., Flexibilité métabolique et remodelage inverse du cœur défaillant chez l'homme. Eur Heart J, 2025. 46(25) : p. 2422-2433.

17. Maekawa, H., et al., L'inhibition du SGLT2 protège la fonction rénale grâce à une répression épigénétique, dépendante de la SAM, des gènes inflammatoires en cas de stress métabolique. J Clin Invest, 2025. 135(19).

18. Wu, D., et al., Des criblages intégrés révèlent que la déplétion en nucléotides guaniniques, rendue irréversible par le ciblage de l'IMPDH2, inhibe le cancer du pancréas et potentialise l'inhibition de KRAS. Gut, 2026.

19. Schwerdtfeger, L.A., et al., Le microbiote intestinal et ses métabolites sont associés à la progression de la sclérose en plaques. Cell Rep Med, 2025. 6(4) : p. 102055.

20. Wu, H., et al., Dynamique du microbiome et du métabolome associée à un mauvais contrôle glycémique et aux réactions aux changements de mode de vie. Nat Med, 2025. 31(7) : p. 2222-2231.

21. Jacobs, J.P., et al., La thérapie cognitivo-comportementale pour le syndrome du côlon irritable entraîne des modifications bidirectionnelles de l'axe cerveau-intestin-microbiome associées à une amélioration des symptômes gastro-intestinaux. Microbiome, 2021. 9(1) : p. 236.

22. Pietzner, M., et al., « Les métabolites plasmatiques pour cartographier les voies métaboliques dans la multimorbidité liée aux maladies non transmissibles ». Nat Med, 2021. 27(3) : p. 471-479.

23. Faquih, T.O., et al., « Prédiction métabolomique robuste de l'âge à partir d'un large éventail de métabolites ». J Gerontol A Biol Sci Med Sci, 2025, vol. 80, n° 3.

24. Scherer, N., et al., « L'association de la métabolomique et du séquençage de l'exome met en évidence des effets graduels de variants hétérozygotes rares et délétères sur la fonction des gènes et les traits humains ». Nat Genet, 2025. 57(1) : p. 193-205.

25. Holmes, Z.C., et al., Une analyse métabolomique non ciblée du lait maternel provenant de mères en bonne santé met en évidence les facteurs à l'origine de la variabilité des métabolites. Sci Rep, 2024. 14(1) : p. 20827.

26. Titz, B., et al., Implications des facteurs de confusion oculaires pour les analyses protéomiques et métabolomiques de l'humeur aqueuse dans les maladies rétiniennes. Transl Vis Sci Technol, 2024. 13(6) : p. 17.

27. Bloom, S.M., et al., La dépendance en cystéine de Lactobacillus iners constitue une cible thérapeutique potentielle pour la modulation du microbiote vaginal. Nat Microbiol, 2022. 7(3) : p. 434-450.

28. Leimer, E.M., et al., Profil lipidique du liquide synovial humain à la suite d'une fracture intra-articulaire de la cheville. J Orthop Res, 2017. 35(3) : p. 657-666.