Types d'échantillons pour la métabolomique

Métabolites dans le sang

Le sang humain contient des centaines de métabolites qui constituent des outils de diagnostic utiles pour la santé d'une personne. Le prélèvement d'échantillons sanguins peut sembler banal, mais il faut tenir compte de plusieurs éléments importants lors de l'échantillonnage et du traitement des échantillons sanguins :

• Les échantillons de sang peuvent être traités sous forme de plasma ou de sérum. Le plasma et le sérum sont obtenus à partir de la partie liquide du sang, une fois les cellules enlevées. Le sérum est la partie liquide après la coagulation, tandis que le plasma est la partie liquide restant après l'ajout d'un anticoagulant. Les deux types d'échantillons produisent des métabolomes^similaires1, mais certains anticoagulants, tels que l'acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) ou le^citrate2, peuvent apparaître dans les métabolomes plasmatiques. L'héparine est moins susceptible d'interférer avec les signaux de spectrométrie de masse (SM). Réfléchissez bien au choix de l'anticoagulant à utiliser si vous étudiez le plasma et assurez-vous d'avoir un plan en place pour éliminer le signal de fond pendant l'analyse des données, si nécessaire.
• Éviter à tout prix l'hémolyse. Quel que soit le type de sang prélevé, les chercheurs doivent s'efforcer d'éviter la lyse des globules rouges (GR). Lorsque les GR sont lysés, l'hémoglobine et d'autres composants intracellulaires sont libérés^.3 Ces molécules peuvent interférer avec la quantification par SM d'autres métabolites sanguins^.4
• Conserver les échantillons à -80 °C. Les échantillons doivent être conservés dès que possible à -80 °C après le prélèvement. Ils doivent également être conservés sous forme d'aliquotes dans des tubes séparés afin de minimiser les cycles de congélation-décongélation qui peuvent altérer le métabolome sanguin^.5

Métabolites dans l'urine

Urine consists of water-soluble molecules such as urea, ions, toxins, and other waste products that the kidneys extract from the bloodstream. Urine also has low cell counts, reducing biological noise in the urine metabolome.⁶ They are also easy to collect since urine can be obtained at home or in the laboratory. Despite these benefits, certain considerations need to be made when processing urine samples:

• Teneur élevée en sel. Les échantillons d'urine peuvent contenir des concentrations élevées en sel qui induisent la formation d'adduits pendant la SM. La présence de plusieurs adduits peut réduire la sensibilité de la détection des métabolites dans les échantillons^{.7 L} 'extraction des échantillons doit donc éliminer les sels interférents ou leurs signaux doivent être détectés et éliminés lors de l'analyse des données^.8
• La dilution de l'échantillon peut être nécessaire. Certains métabolites très abondants, tels que l'urée, peuvent masquer les signaux MS des métabolites peu abondants. Dans de telles situations, la dilution de l'urine augmentera l'intensité du signal d'autres métabolites dans l'échantillon. Cette étape nécessite toutefois une étape de normalisation pour tenir compte des différences de volume d'urine, de teneur en eau et de densité d'eau avant et après la dilution^.9
• Samples must be processed quickly. Fast processing times are essential for generating robust urine metabolomes. This is because urine metabolomes can change very quickly even when stored at temperatures as low as 4°C.¹⁰ If samples cannot be processed quickly, storage at -20°C or -80°C can retain urine metabolomes prior to processing.
• Autres considérations. L'élimination des cellules doit être envisagée car les cellules épithéliales peuvent être présentes en faible quantité dans l'urine. En outre, bien que des enzymes puissent être présentes dans l'urine, l'ajout d'un inhibiteur n'est pas recommandé car ils peuvent obscurcir les signaux de SM provenant de molécules endogènes^.11

Métabolites dans les fèces

Fecal metabolomes provide a useful proxy for the activities of the gut microbiome and their links with host health, lifestyle, and genetics.¹² The intricate links with digestive and bodily health through the various axes such as the gut-brain axis¹³ make fecal metabolomes an appealing sample type to study. Studying fecal metabolomes also comes with a series of technical considerations that affect your processing protocols:

• Les matières fécales contiennent différentes classes de biomolécules. Bien que la matière fécale soit composée d'environ 75 % d'eau, elle contient également un large éventail de biomolécules telles que de la matière organique non digérée, de la biomasse bactérienne, des hydrates de carbone, des graisses, des protéines et des gaz organiques.
• Les matières fécales sont très hétérogènes. De nombreux facteurs peuvent avoir un impact sur l'apparence et la composition chimique des matières fécales, notamment l'alimentation, l'état de santé du patient, les médicaments et la génétique de l'hôte14 . Il s'agit notamment de l'alimentation, de l'état de santé du patient, des médicaments et de la génétique de l'hôte^.14 Cela complique les efforts de normalisation des protocoles d'extraction de la matière fécale^.15
• Les échantillons peuvent être conservés à température ambiante. Les échantillons fécaux peuvent être conservés à température ambiante pendant quelques jours avec certains conservateurs. Toutefois, pour une conservation à long terme, les échantillons doivent être conservés à -80°C.

Métabolites dans les tissus

L'étude des métabolomes tissulaires fournit une série d'informations utiles à la recherche biomédicale. Les biopsies de tissus sont utilisées pour diagnostiquer les cancers, étudier la physiologie des organes et surveiller l'état des maladies. Bien que les tissus soient moins complexes que d'autres types d'échantillons, leur traitement à des fins de recherche métabolomique doit également faire l'objet d'une attention particulière :

• Quick processing times are essential. Cellular metabolism continues even after biopsies are collected.¹⁶ Therefore, samples should either be processed immediately or flash-frozen in liquid nitrogen to retain the tissue metabolome as close to in situ as possible.¹⁷ Alternatively, samples may be stored at -80°C before processing.
• Removing non-tissue contaminants. Tissue samples can contain connective tissue, fat, and residual blood that can obscure the tissue metabolome.¹⁸ Any extraction protocol with tissues must first remove these components through deionized water rinsing to prevent contamination.
• Extraction protocols depend on the tissue type. As is the case with many other sample types, multiple different organic solvents have been used to process tissue samples under the assumption that metabolomes are non-selective and reproducible. However, each tissue sample type may require unique extraction protocols,¹⁵ and while efforts have been made to standardize these protocols, more work needs to be done.

Autres types d'échantillons pour la métabolomique

Bien que les quatre types d'échantillons décrits ci-dessus soient les plus fréquemment étudiés dans la recherche métabolomique, l'analyse métabolomique peut être effectuée sur n'importe quel type d'échantillon, à condition qu'un moyen d'extraire les métabolites ait été mis au point. Parmi les autres types d'échantillons et les considérations relatives à leur traitement, on peut citer

• Milieux de culture : La recherche in vitro est utile pour étudier la physiologie cellulaire, en particulier pour les cellules bactériennes. Lorsqu'ils comparent les métabolomes d'une étude à l'autre, les chercheurs doivent tenir compte des milieux utilisés dans chaque étude. Le choix du milieu peut avoir un impact considérable sur les métabolomes produits par les cellules en croissance^.18
• Sol : le sol est le support de l'écosystème mondial. Stockés dans la matière organique du sol, les métabolites du sol peuvent indiquer le type de sol, les processus biogéochimiques et les effets de l'activité anthropique sur la santé environnementale^.19 Les protocoles typiques d'extraction du sol consistent à fumiger le sol avec des vapeurs de chloroforme pour libérer les métabolites intracellulaires avant d'extraire les métabolites à l'aide de tampons d'extraction à haute teneur en sel^{.20 Le} sol contient également des composés organiques volatils qui nécessitent un protocole d'extraction distinct pour les stabiliser et les caractériser^.21
• Water: Hundreds of new compound classes are being discovered in water, especially in marine waters.²² However, marine environments can be highly complex, depending on the aspects of the marine ecosystem being studied.²³ While typical extraction protocols with organic solvents work for water, these will have to be modified depending on the sets of metabolites being studied.

Quelle est la prochaine étape ?

Now that you understand the considerations to make when collecting different sample types for metabolomics analysis, we’ll take a deep dive into sample prep, storage, and transportation. Utmost care during these steps will ensure the highest quality metabolomes possible so you can extract actionable insights from your study.

Références

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2. Barri T, Dragsted LO. UPLC-ESI-QTOF/MS et analyse de données multivariées pour la métabolomique du plasma sanguin et du sérum : Effect of experimental artefacts and anticoagulant. Analytica Chimica Acta. 2013;768:118-128. doi:10.1016/j.aca.2013.01.015
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5. Chen D, Han W, Huan T, Li L, Li L. Effects of Freeze-Thaw Cycles of Blood Samples on High-Coverage Quantitative Metabolomics. Anal Chem. 2020;92(13):9265-9272. doi:10.1021/acs.analchem.0c01610
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8. Peng J, Guo K, Xia J, et al. Development of Isotope Labeling Liquid Chromatography Mass Spectrometry for Mouse Urine Metabolomics (Développement de la chromatographie liquide avec marquage isotopique pour la métabolomique de l'urine de souris) : Quantitative Metabolomic Study of Transgenic Mice Related to Alzheimer's Disease. J Proteome Res. 2014;13(10):4457-4469. doi:10.1021/pr500828v
9. Edmands WMB, Ferrari P, Scalbert A. La normalisation de la gravité spécifique avant l'analyse améliore la récupération de l'information des profils métabolomiques de l'urine humaine par spectrométrie de masse à haute résolution. Anal Chem. 2014;86(21):10925-10931. doi:10.1021/ac503190m
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