LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM...
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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, 13 680 Marseille
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Mesures des perturbations physiopathologiques= multifactorielles
Décrire des systèmes complexes en utilisant des caractéristiques moléculaires illimitées et inattendues
Approches « omiques »
Décrire des systèmes complexes en utilisant des caractéristiques moléculaires réductrices et ciblées
Approches conventionnelles
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D’après Bruce German, UCDA
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« 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
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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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Sang, urines, extrait tissulaire
MVAbioinformatic
Data acquisition
Platforms:NMR
LC/MSGC/MS
Data mining
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Acquisition des Données (1 pic = 1 variable)
Réduction des données
Analyse statistiqueMultivariée (espace 2D ou 3D)
(chimiometrie)
interprêtation
(PCA, PLS-DA,…)
Comparaison de groupes:appartenance aux classes
Diagnostic individuel:prédiction
Identification biomarqueurs discriminants
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observations
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Seconde composante principale
Première composante principale
Axe de la déviation max
Orthogonale à CP1:Max de variance
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CP2
CP1
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CP2
CP1
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CP2
CP1
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variables
V2 V3V1
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CP1
CP2Carte des observations:Score plot
CP2
CP1
Carte des variables:loading plot
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Hydroxyphenylpropionyl-acidCholate
Progesterone metabolitesEstrogen metabolites
Trimethyl-amine oxideN-acetylglycoproteins
Hydroxyphenylpropionyl acid sulfate
Stanley, anal biochem, 2005
HippurateBetaineGlycineTaurineTrimethyl-N-oxide2-oxo-glutarateN-acetylglycoproteins
CreatineGlucose
CreatinineDimethylglycine
Citratesuccinate
Bollard, ME, NMR Biomed, 2005
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Metabolome urinaire (RMN): toxicité à l’hydrazine
rats
sourisBollard, ME, NMR Biomed, 2005
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Mesure des trajectoires et distances métaboliques
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Coen M,. J Pharm Biomed Anal. 2004;35:93-105.
Intoxication paracétamol (500 mg/kg)/metabolome hépatique
Dysfonctionnement énergétique cellulaire
Diminution glucose/glycogèneAugmentation lactate/acetate/alanine
accumulation lipides
Glycogènolyse/glycolyse
Diminution b-oxydation
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Régimes riches en graisses et insulino-résistance
Dumas ME, et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103:12511-6.
![Page 38: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/38.jpg)
•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
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Safety/Toxicity Biomarkers for Marketed HIV Drugs
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X 12 semaines
0
1
2
3
4
5
6
7
ac
cu
mu
lati
on
re
lati
ve
d
es
EC
da
ns
l’a
ort
e
C végétal
a
croq
b
C lait cru
c
C oléine
c
C lait hiver
c
beurre
d
R2 = 0,42
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6
NonHDL-/HDL-C
CE
dep
ost
ion
in
th
e ao
rta
(mg
/g)
C lait cruC végétalC oléineC standardbeurrecroq
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CR CVCOCS butter Ctrl
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Analyse PLS-DA
-10
-5
0
-20 -10 0 10 20
t[2
]
croquettes
C. Végétalc. lait cru
c. lait standard
c. oléine
Beurre
1,5
1,6
1,7
1,8
"V7
71
""V
77
0"
"V7
42
""V
76
7"
"V7
41
"
Sco
re C
on
trib
(Ob
s G
rou
p -
Ave
rag
e), W
eig
ht=
w*1
w*2
2,32,42,52,62,72,82,93,03,13,23,33,43,5
"V8
15
""V
68
7"
"V8
16
""V
56
5"
"V6
99
"Sco
re C
on
trib
(Ob
s G
rou
p
- A
vera
ge)
, W
eig
ht=
w*1
w*2
1,7
1,8
1,9
2,0
2,1
2,2
"V6
56
""V
60
1"
"V6
26
""V
59
9"
"V6
00
""V
52
6"S
core
Co
ntr
ib(O
bs
Gro
up
-
Ave
rag
e), W
eig
ht=
w*1
w*2
5
102,1
2,2
2,3
2,4
"V5
94
""V
52
4"
"V5
71
""V
52
0"
"V4
86
""V
48
5"
"V5
93
"
Sco
re C
on
trib
(Ob
s G
rou
p
- A
vera
ge)
, Wei
gh
t=w
*1w
*2
2,8
2,9
3,0
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
"V6
96
""V
69
5"
"V7
69
""V
80
8"
"V8
09
""V
77
0"
"V6
74
"
Sco
re C
on
trib
(Ob
s G
rou
p-
Ob
s G
rou
p),
Wei
gh
t=w
*1w
*2
1,4
1,5
1,6
"V7
37
""V
73
8"
"V7
62
""V
69
5"
"V6
94
""V
76
1"
"V7
36
"
Sco
re C
on
trib
(Ob
s G
rou
p -
Ave
rag
e),
Wei
gh
t=w
*1w
*2
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Analyse PLS
R2X[1] = 0,367771
-40
-30
-20
-10
0
10
20
u[1
]
-10 0 10
t[1]
c. Lait standard
L41L42
L44
L45L46
L47L48
R2=0,62
L61
L62
L63
L64L65
L66
L67
L68
croquettes
L26
L21L23
L25
L28
C. végétal
L11L12
L13
L14L16
L17
C. lait cru
L31L32
L33L34L35
L38
c. oléine
L52 L53
L54
L55
L56 L57L58
MG lait standard
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6
NonHDL-/HDL-C
CE
dep
ost
ion
in
th
e ao
rta
(mg
/g)
R2=0.42
![Page 44: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/44.jpg)
CR
CVCO CS butte
r
Ctrl
VIP
rank
athe
roge
nic st
atus
ident
ificat
ion
B
Albumin-lysyl
Albumin-lysylCreatine
citrate + C=CCH2C=Clipids
GlycerolAlanine
TMAOGlycerolglutamineProline
VLDL-lipids/lactate/ + CH2CH2CH2CO + cholesterol
N-acetyl-glycoproteins
VLDL (CH3CH2CH2C=)
1
2
34
5
6
7
8
9
10
1213
14
15
151617
18
11
19
2021
pro-
anti-
0 2.13-2.13
citrate +C=CCH2C=C lipids
inflammation
Lipides athérogènes
Clairance lipidesnéoglucogenèse
Lipides antiathérogènes
Métabolisme aérobie
Microbiote intestinale
Stress oxydant faible
Métabolisme énergétiquemusculaire
![Page 45: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/45.jpg)
Ctrl beurre CV CS CR CO
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Mea
nN
MR
val
ues
anti
a
bb c
d
epro
a a
b
ccc
![Page 46: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/46.jpg)
Ctrl beurre CV CS CR CO
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Mea
nN
MR
val
ues
anti
a
bb c
d
epro
a a
b
ccc
![Page 47: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/47.jpg)
-10
-5
0
-20 -10 0 10 20
t[2
]
croquettes
C. Végétalc. lait cru
c. lait standard
c. oléine
beurre
High atherogenic outcome
•Atherogenic particles (VLDL > LDL) •Inflammation
Low atherogenic outcome
•Amino-acid metabolism •Low oxidative stress• blood lipid clearance• Muscle energy metabolism• Intestinal microbiotope metabolism
![Page 48: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/48.jpg)
Dietary rythm # 1Dietary rythm #2
Metabolomic approach:LC/MS analysis of plasma
5928 ions/observations2 groups of 7-11
individuals
151 metabolites
150 metabolitesAim: effect of 2 dietary rythms toward cardiovascular risk factors in human volonteers
Fasting plasma
Conventional approach = no
differences among diets
![Page 49: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/49.jpg)
-10
0
10
-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
t[2]
t[1]
Data Metalign 146010_INRA_positif_OSC.M2 (PLS-DA)t[Comp. 1]/t[Comp. 2]Colored according to classes in M2
R2X[1] = 0,0666516 R2X[2] = 0,132615 Ellipse: Hotelling T2 (0,95)
Class 1Class 2Class 3
colza_04
colza_07
colza_10
colza_14colza_17
colza_20colza_24
colza_27
colza_30
colza_33
colza_37
colza_40
colza_43
colza_47
colza_50colza_53
colza_56soja_02
soja_05
soja_08
soja_11
soja_15
soja_18soja_21
soja_25
soja_28
soja_31
soja_35
soja_38
soja_41
soja_44
soja_48
soja_51soja_54
oleisol_03
oleisol_06
oleisol_09
oleisol_13
oleisol_16oleisol_19
oleisol_22
oleisol_26oleisol_29
oleisol_32
oleisol_36
oleisol_39
oleisol_42
oleisol_46
oleisol_49
oleisol_52oleisol_55
SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:14:08
![Page 50: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/50.jpg)
Ions caractéristiques « soja »
-2
-1
0
1
2
100 200 300 400 500 600
Sco
re C
ontr
ib(O
bs G
roup
- A
vera
ge),
Wei
ght=
w*1
w*2
Data Metalign 146010_INRA_positif_OSC.M2 (PLS-DA)Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*[1]w*[2]
SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:45:38
m/z
![Page 51: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/51.jpg)
-3
-2
-1
0
1
2
100 200 300 400 500 600
Sco
re C
ontr
ib(O
bs G
roup
- A
vera
ge),
Wei
ght=
w*1
w*2
Data Metalign 146010_INRA_positif_OSC.M2 (PLS-DA)Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*[1]w*[2]
SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:37:05
Ions caractéristiques « oléisol »
m/z
![Page 52: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/52.jpg)
Ions caractéristiques « colza »
-2
-1
0
1
2
3
100 200 300 400 500 600
Sco
re C
ontr
ib(O
bs G
roup
- A
vera
ge),
Wei
ght=
w*1
w*2
Data Metalign 146010_INRA_positif_OSC.M2 (PLS-DA)Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*[1]w*[2]
SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:49:46
![Page 53: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/53.jpg)
Métabolome sainMétabolome sain
Métabolome maladeMétabolome maladeIndividu Individu diagnostic
Marqueursprécoces
Marqueursdescriptifs
Marqueurspronostic
MétabolomeMétabolome sainsain
MétabolomeMétabolomemalademalade
Temps
Fluctuationsphysiologiques
Fluctuationspathologiques
Métabolome sainMétabolome sainMétabolome maladeMétabolome malade
Pathologie/Stress
traitement
Ciblesmoléculaires
classification
![Page 54: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/54.jpg)
Caractéristiques métaboliques prédictives….
•Gain/perte de poids
•Hypo/hyper-répondeurs:
Identification des causes génétiques
adaptation des traitements au niveau individuel
![Page 55: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/55.jpg)
![Page 56: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/56.jpg)
![Page 57: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/57.jpg)
![Page 58: LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/551d9da2497959293b8d20a7/html5/thumbnails/58.jpg)