La métabolomique : son application en recherche pharmaceutique et diagnostique

Programme de la séance thématique de l'Académie de Pharmacie duMercredi 20 février 2013 à 14 h 00Salle des ActesFaculté des Sciences Pharmaceutiques et BiologiquesUniversité Paris Descartes4 avenue de l’Observatoire Paris 6

14 h 00  Accueil par Yves Juillet,Président de l'Académie nationale de Pharmacie

14 h 05  Introduction générale

Jean-Marc Grognet, membre titulaire de l'Académie nationale de Pharmacie, Chef de l'institut de biologie et de technologies de Saclay iBiTec-S

14 h 15  « Métabolomique : quelle place dans les problématiques "Santé et Environnement" ? »

Pr Bruno Combourieu, Professeur, Faculté des Sciences et Technologies de l'Université Claude Bernard Lyon 1, Directeur Scientifique de la plateforme de recherche en Toxicologie Environnementale et Ecotoxicologie de Rovaltain

Au cours de la dernière décennie, le renforcement du principe de précaution, que ce soit au niveau français ou européen, a eu un impact significatif sur notre économie et sur la prise de conscience par nos sociétés et le grand public de la fragilité de notre environnement. Si nos communautés scientifiques étaient relativement bien armées pour étudier les effets de contaminations chimiques ou biologiques sur la réponse d'organismes cibles dont l'Homme, elles se sont avérées parfois démunies pour analyser puis prévenir les effets d'une exposition chronique à ces substances, présentes à doses environnementales et le plus souvent en mélange. Le constat d'un manque de méthodes efficaces et robustes pour aborder ces problématiques était flagrant.  Parallèlement, le développement de nouvelles approches et méthodes de criblage à haut débit et plus spécifiquement l'avènement de la biologie systémique et celui des « omiques » a permis d'accélérer la mise en évidence de « biomarqueurs » d'exposition et/ou d'effet(s) dans de très nombreux secteurs allant de la pharmacie à l'agroalimentaire en passant par la nutrition. Les problématiques écologiques et environnementales ainsi que l'épidémiologie et la toxicologie environnementales ont bénéficié indirectement de cet essor. La (méta)génomique, la transcriptomique et la protéomique ont été les plus utilisées. Relativement, peu d'équipes au niveau international ont utilisé des approches de métabolomique ou de fluxomique dans des problématiques « santé – environnement ».

Au cours de cette communication, différentes études seront présentées, avec des applications potentielles en écotoxicologie, en évaluation du risque, ou dans des approches de lutte anti-vectorielle, etc. Dans chaque cas, les forces et faiblesses de la métabolomique (qu'elles soient technologiques ou conceptuelles) seront discutées.

In fine, la place de cette approche de biologie intégrative dans les problématiques 'Santé et Environnement' sera débattue, avec une question sous-jacente : est-il envisageable, et si oui à quelle échéance, d'utiliser ces « omiques », et en particulier la métabolomique, en évaluation du risque sanitaire et environnemental ? Et quel est le 'gap' aujourd'hui entre les développements de ces approches en recherche et les besoins des gestionnaires et des autorités sanitaires ?

14 h 45  « Les enjeux technologiques de la métabolomique »

Christophe Junot, Responsable du laboratoire d'études du métabolisme des médicaments CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)-Saclay

A l'échelle d'un système vivant, le métabolisme est organisé en réseaux complexes de réactions biochimiques que les études de biologie intégrative tentent de cerner dans leur globalité. Alors que les méthodes classiques de chimie analytique ne permettent que le dosage ciblé d'analytes préalablement sélectionnés, l'essor de la bioinformatique et les développements technologiques réalisés en instrumentation analytique durant ces deux dernières décennies ont fait évoluer ces analyses traditionnelles en des approches multiplexées qui peuvent assurer la détection mais aussi la quantification simultanée de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de  molécules, permettant ainsi de mettre en évidence des interrelations métaboliques qui n'auraient pu être décelées autrement.

Apparu à la fin des années 1990, le concept de métabolome correspond à l'ensemble des composés organiques de petite taille (<1500 Da) détectés dans un milieu biologique. Son analyse s'inscrit dans le panel des outils dits «omiques» dont disposent les biologistes pour l'étude des fonctions des gènes. Le métabolome est caractérisée par une grande diversité de structures chimiques nécessitant la mise en œuvre de plusieurs approches analytiques complémentaires, principalement basées sur la résonance magnétique nucléaire (RMN) du proton et la spectrométrie de masse (SM).

La RMN du proton est une technique robuste permettant d'analyser plusieurs milliers d'échantillons biologiques et ainsi de phénotyper des cohortes épidémiologiques, mais elle est limitée par une faible sensibilité de détection qui ne permet d'accéder qu'à quelques dizaines, voire une centaine de métabolites dans les milieux biologiques. Inversement les méthodes basées sur l'utilisation de la spectrométrie de masse permettent de détecter au moins plusieurs centaines de métabolites présents à l'état de trace dans les échantillons et de les identifier grâce aux mesures de masses précises à haute résolution et aux expériences de fragmentation de type MS/MS. Cependant, ces méthodes sont actuellement limitées par des problèmes de reproductibilité et par un manque d'outils efficaces de traitement informatique des données.

Cette communication aura pour but de présenter les principales avancées technologiques réalisées en métabolomique, tant sur le plan de la chimie analytique que de la bioinformatique, et d'illustrer leur impact dans le domaine du biomarquage des pathologies.

15 h 15         « Application à la découverte de nouveaux biomarqueurs à signification clinique »

Pr Laurence Le Moyec, Professeur de biologie, Responsable du M2 BIAE,Université d'Evry

La métabolomique par ses caractères multiparamétriques et non-dédiés est toujours citée comme la méthode de choix pour découvrir des biomarqueurs. Au cours de cette présentation, nous resterons dans le domaine de la métabolomique par résonance magnétique nucléaire. Cette technique analytique, dont l'inconvénient majeur est la faible sensibilité présente d'autres caractéristiques avantageuses qui sont exploitées pour la découverte de biomarqueurs.

Du fait de protocoles expérimentaux non-dédiés, le concept de biomarqueur tend à évoluer dans le sens de profils ou d'empreintes métaboliques. Grâce au suivi simultané de plusieurs métabolites, les critères de sensibilité et de spécificité sont améliorés pour atteindre des valeurs permettant d'envisager leur utilisation en clinique.

Dans les années 90, nous avons pu utiliser cette approche multiparamétrique pour le suivi de la  transplantation rénale dans le but de distinguer les rejets de greffe des toxicités de la cyclosporine. Actuellement, nous recherchons les empreintes métaboliques pour l'amélioration du suivi des patients cirrhotiques et la détection des complications de cette pathologie tels que l'épisode aigu sur cirrhose chronique et le carcinome hépato-cellulaire.

Ces deux exemples montrent qu'un « biomarquage » applicable à des situations cliniques peut être le résultat de mesures multiparamétriques semi-quantitatives et ces empreintes informent sur les mécanismes biochimiques en jeu dans les pathologies concernées, leurs complications ou leur traitement.

15 h 45  « Utilisation de la métabolomique cellulaire (ou fluxomique) pour prédire la sécurité et l'efficacité de candidats médicaments »

Gabriel Baverel, ex-directeur Inserm U820, Biochimie et Physiopathologie Métaboliques      (EA 4611), Président Directeur de Metabolys SAS, Lyon

Maha El Hage, Agnès Conjard-Duplany, Bernard Ferrier, Guy Martin

Metabolomics of body fluids is a large scale method allowing to detect and quantify metabolites (potential biomarkers) of diagnostic and prognostic value but rarely of mechanistic value. In an attempt to go further,

we have developed cellular metabolomics also called metabolic flux analysis. This approach combines (i) the incubation of any metabolically differentiated human or animal cell type which retains its in vivo properties so that the results obtained in vitro are predictive of the events occurring in vivo, (ii) the measurement of substrate uptake and product formation by both enzymatic and carbon 13 NMR techniques and (iii) original mathematical models of metabolic pathways developed and validated in-house. This innovative approach, applicable to any 13C-labelled substrate, has been developed mainly by using glucose and glutamine as physiological and virtually universal substrates. It allows to obtain a panoramic view not only of the pathways involved in the metabolism of these substrates but also of the beneficial and adverse effects of small amounts (milligrams) of drug candidates on these pathways. Absolute fluxes through the metabolic pathways studied are measured both in the absence and the presence of the drug candidates of interest, thus providing a functional piece of information. Cellular metabolomics can be used to predict the efficacy and safety of any test compound (small molecule or biologics). Both in vitro and ex vivo experiments can also be performed.

The development and validation of this approach will be illustrated by studying the effects of (i) various antidiabetic drugs or candidates in liver cells, (ii) of valproate, a widely used antiepileptic drug,  both in renal and cerebral cells, and (iii) of various nephrotoxic compounds (ifosfamide, an anticancer drug, and cephaloridine, an antibiotic withdrawn from the market) in renal cells.

Details and references about the use of cellular metabolomics can be obtained on the website: www.metabolys.comr

16 h 15  « MetaboHUB: une infrastructure nationale au service de la métabolomique »

Pr Dominique Rolin, Professeur de Biologie Végétale, Université de Bordeaux, Directeur du Centre de Génomique Fonctionnelle Bordeaux, Président du Réseau Français de Métabolomique et Fluxomique,

Traduction française

Le projet français MetaboHUB vise à créer une infrastructure nationale de métabolomique qui positionnera la France parmi les leaders européens de la recherche avancée en métabolomique et fluxomique. Cette infrastructure fournira des outils et des services aux équipes de recherche universitaires et à des partenaires industriels dans les domaines de la nutrition, la santé, l'agriculture, l'environnement et les biotechnologies.

L'infrastructure MetaboHUB abordera les tendances et les défis majeurs en sciences du vivant inscrits dans les priorités de la Stratégie Nationale de Recherche et d'Innovation. MetaboHUB contribuera à fournir  (i) des biomarqueurs pertinents pour la nutrition personnalisée, la médecine personnalisée et le diagnostic de maladies ayant un impact socio-économique majeur comme l'obésité, le cancer, les pathologies cardiovasculaires, neurologiques et les maladies infectieuses (ii) des indicateurs  de stress et des biomarqueurs pour la plante, l'élevage et les pratiques agricoles et (iii) de nouveaux outils pour optimiser l'ingénierie métabolique microbienne et créer de nouvelles voies de synthèse pour des applications industrielles et (iv) en complément à d'autres technologies 'omics' le support à des approches par la  biologie des systèmes.

Les quatre premières années (la phase de construction) seront consacrées à l'harmonisation, la mise en œuvre et la montée en puissance des quatre plates-formes existantes par la mise en commun  d'outils en métabolomique et en fluxomique  (Bordeaux, Paris et sa région, Toulouse et Clermont-Ferrand).

Les années suivantes (la phase opérationnelle) seront consacrées à l'accroissement  de l'activité de l'infrastructure qui fournira des services complets aux sociétés de biotechnologie et aux projets de recherche nationaux.

Les quatre objectifs scientifiques et technologiques sont :

(i) fournir des technologies quantitatives à haut débit pour le phénotypage  biochimique de grands ensembles d'échantillons (cohortes épidémiologiques humaines, plantes transgéniques ou non-génétiquement modifiées) et pour la biologie de systèmes par la standardisation et la combinaison de technologies de pointe,

(ii)  identifier des métabolites dans les  biofluides humains, les plantes, les microorganismes et les extraits cellulaires animaux, par la mise en œuvre et la maintenance de bibliothèques de spectres centralisées et ouvertes pour les annotations du métabolome

(iii) développer le profilage à grande échelle et la fluxomique subcellulaire par l'intégration de données analytiques de dispositifs analytiques multiples

(iv) fournir l'accès à des  services à fort impact à la communauté scientifique et aux  acteurs industriels nationaux en vue d'attirer une nouvelle génération de scientifiques et d'utilisateurs par la promotion de la métabolomique dans l'enseignement et l'organisation de cours de formation.

Original anglais

The French MetaboHUB project aims at creating a national infrastructure of metabolomics that will place France among the European leaders for advanced research services in metabolomics and fluxomics. This infrastructure will provide tools and services to academic research teams and industrial partners in the fields of nutrition and health, agriculture, environment and biotechnologies.

MetaboHUB Infrastructure will address major life science trends and challenges listed in the National Strategy for Research and Innovation priorities. MetaboHUB outputs will provide full service, (i) relevant biomarkers for personalized nutrition and personalized medicine and diagnosis of diseases with major socio-economic impact such as obesity, cancer, cardiovascular, neurological pathologies and infectious diseases (ii) stress indicators and biomarkers for plant and animal breeding programs and agricultural practices, and (iii) new tools to optimize microbial metabolic engineering and create new synthesis pathway with industrial applications and (iv) complements to other 'omics' technologies data to support systems biology approach.

The first 4 years (construction phase) will be dedicated to harmonizing, implementing and up-grading the four existing platforms with common metabolomics and fluxomics tools (Bordeaux, Paris and surroundings, Toulouse and Clermont-Ferrand)

The following years (operational phase) will be dedicated to the rise in activity of the infrastructure that will provide full services biotech companies and national research projects.

The four scientific and technologic objectives are:

(i)      to provide high-throughput, quantitative technologies for biochemical phenotyping of large sets of samples (human epidemiological cohorts, large sets of transgenic or non-genetically modified plants) and for systems biology through standardization and combination of state–of-art technologies,

(ii)     to identify metabolites in human biofluids, and plant, microorganisms and animal cell extracts, through the implementation and maintenance of centralized and open spectral repositories for metabolome annotations,

(iii)   to develop large-scale flux profiling and sub-cellular fluxomics through integration of analytical data from multiple analytical devices,

(iv)   to provide access to high-impact services to the national scientific community and industrial actors,

to attract a new generation of scientists and users through the promotion of metabolomics in education and the organization of training courses.

16 h 45  Conclusion et perspectives

Table ronde avec la participation des conférenciers, animée par Jean-Marc Grognet, Membre titulaire de l'Académie nationale de Pharmacie, Chef de l'institut de biologie et de technologies de Saclay iBiTec-S

17 h 00  Clôture par Yves Juillet, Président de l'Académie nationale de Pharmacie

Descripteur MESH : Métabolomique , Recherche , Paris , Pharmacie , Biologie , Méthodes , Environnement , Santé , Chimie , Plantes , France , Spectrométrie de masse , In vitro , Métabolisme , Chimie analytique , Diagnostic , Risque , Toxicologie , Maintenance , Métabolome , Plant , Communication , Sociétés , Génomique , Agriculture , Objectifs , Biologie des systèmes , Patients , Conscience , Économie , Réseau , Enseignement , Science , Glucose , Transplantation rénale , Lutte , Animaux , Biochimie , Organismes , Biotechnologie , Protéomique , Écotoxicologie , Sécurité , Gènes , Glutamine , Informatique , Art , Obésité , Carcinome , Dominique

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