1.1. Histoire et définition de la métabolomique
Le terme « métabolomique » aussi nommé « métabonomique » [1] est apparu dans la littérature en septembre 1998, et décrit par Oliver ainsi que par Tweeddale [2-4].
Toutefois, les études en tant que telles sont réalisées depuis le début du 20ème siècle, secondées par l’émergence de nouvelles techniques analytiques telles que la spectroscopie UV ainsi que par la spectrométrie de masse [3, 5]. La métabolomique est l’analyse au niveau moléculaire de l’ensemble des métabolites, c’est-à-dire des petites molécules ayant un poids inférieur à 1500 Da [6]. Le nombre de publications comprenant le terme métabolomique ou métabonomique est en constante augmentation depuis son apparition à la fin des années 1990 (Figure 1).
Figure 1: Recherche effectuée le 16 mars 2017 sur SciFinder web comprenant les résultats contenant le terme et le concept metabolomic. Selon les critères MeSH, le terme metabolomic comprend aussi le terme metabonomic ainsi que metabolomics.
Le métabolome a été défini comme étant le regroupement de façon quantitative et qualitative de l’ensemble des molécules ayant un faible poids moléculaire présent dans la cellule. Ces molécules sont impliquées dans les réactions métaboliques générales et dans celles qui sont nécessaires au maintien, à la croissance et aux fonctions cellulaires [7]. Le métabolome est le produit final de la cascade biologique, et donc le dernier maillon de l’expression du phénotype [6], [8]. Le nombre admis de métabolites est moins grand que celui de gènes, et ceci donne un avantage à l’étude des métabolites [2].
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Figure 2: La cascade "omique", reproduite avec l’autorisation de [8]
L’expression du métabolome étant directement reliée au phénotype, elle constitue un choix idéal pour l’étude des systèmes biologiques et des interactions aux différents niveaux moléculaires [6, 8, 9] (figure 2). C’est en quelque sorte une photographie de l’état d’un système à un temps « t » extrêmement précis. Les métabolites sont constamment transformés et utilisés dans les cascades biologiques, ce qui entraîne un équilibre qui peut être à tout moment, et très rapidement perturbé afin de modifier l’état de la cellule et donc la réponse biologique.
Le métabolome possède une grande variabilité d’expression, contrairement au protéome et au transcriptome. Ces changements de concentration peuvent être de l’ordre d’un millimolaire par seconde [10]. Il est aussi donné que des variations au niveau des gènes ou de la transcription d’un individu à l’autre n’ont qu’une influence relativement petite au niveau des flux métaboliques. Cependant, ils peuvent avoir un effet au niveau des concentrations des métabolites [5]. De plus, de nombreux métabolites sont communs à de nombreuses espèces, c’est pourquoi il est possible de dire que leur étude est plus générique en ce sens. Les propriétés chimiques (pKa, logP) rencontrées lors de l’analyse des métabolites sont très grandes [11].
- 19 - 1.2. La métabolomique en 2017
La recherche pharmaceutique et médicale tend actuellement vers une médecine dite
« personnalisée », et qui considère les spécificités individuelles. Outre la prise en compte des variations du métabolisme propres à l’individu, la recherche tend à inclure des facteurs externes à l’individu et à le placer dans un contexte plus large. On parle d’influences extérieures telles que la « métabolomique environnementale » [12] ou encore du terme « d’exposome » [13, 14], qui fait référence à l’ensemble des xénobiotiques auxquels un individu est exposé et accumule durant sa vie [5].
L’analyse des métabolites souffre cependant encore de l’absence de moyens pour normaliser les résultats obtenus, principalement au niveau du traitement (prélèvement, analyse) des échantillons. Les variations inter et intra laboratoires sont un sujet d’actualité : il s’agit d’obtenir les résultats les plus robustes et reproductibles possibles [15, 16].
Figure 3: Citation reprise sans modifications et avec autorisation [17]
L’étude des métabolites est découpée en de nombreuses catégories qui ne sont pas toujours adoptées par tous les laboratoires et peuvent souvent prêter à confusion.
Plusieurs revues, notamment celles de M. R. Mashego [3] K. Dettmer [8] et de J-L.
Wolfender [18], ont défini de manière plus rigoureuse les catégories d’analyses des métabolites. Ces différentes catégories ont été résumées dans la figure suivante.
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Figure 4: Appellations et termes utilisés couramment pour qualifier les études métabolomiques, figure inspirée des références [3, 7, 18-21]
Ce travail de thèse s’inscrit dans l’analyse ciblée d’un nombre défini de métabolites et dans le profilage métabolomique, c’est-à-dire de la caractérisation des métabolites dans une voie métabolique donnée, comme par exemple la voie de l’acide citrique. Cette diversité de propriétés chimiques et les implications lors des procédures analytiques sont abordées dans le point suivant concernant la préparation d’échantillons (chapitre 2).
1.3. Enjeux de l’étude du métabolisme
Selon Nicholson [1], les enjeux des études métabolomiques se situent soit au niveau de l’individu par l’apport que représente la médecine personnalisée, soit dans un contexte plus global, au niveau d’une population (voir figure 5). Les enjeux sont, dans ce deuxième cas, épidémiologiques et concernent la santé publique. Le troisième angle d’approche concerne la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques.
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Figure 5: Les enjeux de la métabolomique, adapté avec l’autorisation [1]
Le but principal de toute étude métabolomique est d’obtenir un seul, ou un ensemble de biomarqueurs propres à définir un état pathologique ou spécifique à un système biologique donné, dans des conditions précises. Par exemple, l’analyse chez les nouveau-nés des acides aminouveau-nés par screening néonatal permet de mettre en évidence des maladies métaboliques telles que la phénylcétonurie. En effet, cette maladie est dépistée grâce à l’apparition d’une concentration anormalement élevée de phenylalanine [22].
Une déficience en glucose 6-phosphate déshydrogénase, dont la prévalence au niveau mondial représente plus de 400 millions de personnes, provoque des altérations majeures au niveau du métabolisme. Cette enzyme est capitale pour l’activité antioxydante des globules rouges [23].
Le métabolisme étant sujet à de nombreuses variations inter et intra-individu [15], il est parfois difficile d’y relier directement une cause ou une maladie [1]. Par exemple, l’effet du moment du prélèvement des échantillons biologiques a déjà été mis en évidence. En effet, au sein du même individu, des variations au cours de la journée matin/soir [24], nuit/jour, l’influence des repas [25] et de l’activité physique ont été rapportées.
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