LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales

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1 LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales
Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd Jean Moulin, Marseille

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4 Approches conventionnelles
Décrire des systèmes complexes en utilisant des caractéristiques moléculaires réductrices et ciblées Approches conventionnelles Décrire des systèmes complexes en utilisant des caractéristiques moléculaires illimitées et inattendues Approches « omiques » Mesures des perturbations physiopathologiques = multifactorielles

5 D’après Bruce German, UCDA

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7 metaboLomique et métaboNomique
« La mesure quantitative de la réponse métabolique dynamique multiparamétrique des organismes vivants à des stimuli pathophysiologiques ou à des modifications génétiques » metaboLomique et métaboNomique Empreintes métaboliques basées sur des déterminations exhaustives Description/désignation des changements métaboliques

8 Métabolomique/métabonomique
donne la description détaillée de la composition en métabolites des biofluides, des cellules et des tissus détecte les perturbations (stress, physiopathologie) d’entités métaboliques spécifiques et les relie à des processus, voies ou mécanismes biochimiques utilisables pour: fonction de gènes études toxicologiques/pharmacologiques diagnostic / prévention des maladies nutrition Approche globale: réponse analytique pour aborder la complexité

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14 Data mining MVA bioinformatic Platforms: NMR LC/MS GC/MS
Sang, urines, extrait tissulaire Data acquisition Platforms: NMR LC/MS GC/MS MVA bioinformatic Data mining

15 Données (1 pic = 1 variable)
Acquisition des Données (1 pic = 1 variable) Réduction des données Analyse statistique Multivariée (espace 2D ou 3D) (chimiometrie) (PCA, PLS-DA,…) interprêtation Diagnostic individuel: prédiction Identification biomarqueurs discriminants Comparaison de groupes: appartenance aux classes

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18 observations

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21 Première composante principale
Axe de la déviation max Orthogonale à CP1: Max de variance Seconde composante principale

22 CP2 CP1

23 CP2 CP1

24 CP2 CP1

25 V1 variables V2 V3

26 CP1 CP2 Carte des observations: Score plot CP2 CP1 Carte des variables: loading plot

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28 Stanley, anal biochem, 2005 Creatine Glucose Creatinine
Dimethylglycine Citrate succinate Hydroxyphenylpropionyl acid sulfate Hippurate Betaine Glycine Taurine Trimethyl-N-oxide 2-oxo-glutarate N-acetylglycoproteins Hydroxyphenylpropionyl-acid Cholate Progesterone metabolites Estrogen metabolites Trimethyl-amine oxide N-acetylglycoproteins Stanley, anal biochem, 2005 Bollard, ME, NMR Biomed, 2005

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31 Metabolome urinaire (RMN): toxicité à l’hydrazine
rats souris Bollard, ME, NMR Biomed, 2005

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35 Mesure des trajectoires et distances métaboliques

36 Intoxication paracétamol (500 mg/kg)/metabolome hépatique
Diminution glucose/glycogène Augmentation lactate/acetate/alanine accumulation lipides Glycogènolyse/ glycolyse Diminution b-oxydation Dysfonctionnement énergétique cellulaire Coen M,. J Pharm Biomed Anal. 2004;35:

37 Régimes riches en graisses et insulino-résistance
Dumas ME, et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103:

38 Oxidative Metabolism and Glycolysis – 8
–D-mannose-6-P, gluconate (2) D-ribulose-5-P (1) citrate, malate (2) – Other sugars (2) –acetophenone (1) Fatty Acids – 12 – Fatty Acids (12) Amino Acid Metabolism - 8 – threonine, tryptophan – aspartate, glutamine, glycine – Amino acid degradants / precursors (3) Purine and pyrimidines - 3 Vitamins - 1 Unknowns - 49

39 Safety/Toxicity Biomarkers for Marketed HIV Drugs

40 X 12 semaines R 2 = 0,42 d C lait cru 7 C végétal 6 C oléine
1 2 3 4 5 6 7 accumulation relative des EC dans l’aorte C végétal a croq b C lait cru c C oléine C lait hiver beurre d R 2 = 0,42 1 3 4 5 6 7 8 9 NonHDL-/HDL-C CE depostion in the aorta (mg/g) C lait cru C végétal C oléine C standard beurre croq

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42 Score Contrib(Obs Group - Average) Score Contrib(Obs Group - Average),
1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 "V656" "V601" "V626" "V599" "V600" "V526" Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*1w*2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 "V815" "V687" "V816" "V565" "V699" Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*1w*2 Analyse PLS-DA 1,5 1,6 1,7 1,8 "V771" "V770" "V742" "V767" "V741" Score Contrib(Obs Group - Average) , Weight=w*1w*2 c. lait cru C. Végétal Beurre croquettes t[2] c. oléine 1,4 1,5 1,6 "V737" "V738" "V762" "V695" "V694" "V761" "V736" Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*1w*2 5 10 2,1 2,2 2,3 2,4 "V594" "V524" "V571" "V520" "V486" "V485" "V593" Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*1w*2 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 "V696" "V695" "V769" "V808" "V809" "V770" "V674" Score Contrib(Obs Group- Obs Group), Weight=w*1w*2 c. lait standard -5 -10 -20 -10 10 20

43 Analyse PLS R2=0,62 R2=0.42 c. Lait standard croquettes C. lait cru
-40 -30 -20 -10 10 20 u[1] t[1] L52 L53 L54 L55 L56 L57 L58 MG lait standard R2=0,62 L31 L32 L33 L34 L35 L38 c. oléine L61 L62 L63 L64 L65 L66 L67 L68 croquettes L11 L12 L13 L14 L16 L17 C. lait cru L26 L21 L23 L25 L28 C. végétal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NonHDL-/HDL-C CE depostion in the aorta (mg/g) R2=0.42 R2X[1] = 0,367771

44 Lipides antiathérogènes Métabolisme aérobie
inflammation Lipides athérogènes Clairance lipides néoglucogenèse Lipides antiathérogènes Métabolisme aérobie Microbiote intestinale Stress oxydant faible Métabolisme énergétique musculaire

45 Ctrl beurre CV CS CR CO e c d c b b a a pro anti NMR values Mean - 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1 Mean NMR values anti a b c d e Ctrl beurre CV CS CR CO

46 Ctrl beurre CV CS CR CO e c d c b b a a pro anti NMR values Mean - 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1 Mean NMR values anti a b c d e Ctrl beurre CV CS CR CO

47 Low atherogenic outcome High atherogenic outcome
-10 -5 -20 10 20 t[2] croquettes C. Végétal c. lait cru c. lait standard c. oléine beurre Low atherogenic outcome Amino-acid metabolism Low oxidative stress blood lipid clearance Muscle energy metabolism Intestinal microbiotope metabolism High atherogenic outcome Atherogenic particles (VLDL > LDL) Inflammation

48 Conventional approach = no differences among diets
150 metabolites Aim: effect of 2 dietary rythms toward cardiovascular risk factors in human volonteers Dietary rythm # 1 Dietary rythm #2 Fasting plasma Conventional approach = no differences among diets 151 metabolites Metabolomic approach: LC/MS analysis of plasma 5928 ions/observations 2 groups of 7-11 individuals

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50 Ions caractéristiques « soja »
m/z

51 Ions caractéristiques « oléisol »
m/z

52 Ions caractéristiques « colza »

53 classification Métabolome sain Métabolome malade Individu l diagnostic
Marqueurs précoces descriptifs Marqueurs pronostic Métabolome sain malade Temps Fluctuations physiologiques pathologiques traitement Cibles moléculaires Métabolome malade Pathologie/Stress Métabolome sain

54 Caractéristiques métaboliques prédictives….
Gain/perte de poids Hypo/hyper-répondeurs: Identification des causes génétiques adaptation des traitements au niveau individuel

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