Revue généralePhénotypage métabolique par résonance magnétique nucléaire pour l’évaluation périopératoire et en réanimationNuclear magnetic resonance based metabolic phenotyping for patient evaluations in operating rooms and intensive care units
Introduction
Le phénotypage métabolique, aussi appelé métabolomique ou métabonomique, consiste à identifier des variations simultanées du métabolisme en réponse à divers stimuli (modifications physiologiques, pathologies, prises toxiques ou médicamenteuses…) à partir de l’analyse statistique de données biochimiques [1]. Le métabolisme regroupe l’ensemble des composés de bas poids moléculaires (typiquement < 1 kDa) qui sont les substrats et produits des réactions enzymatiques d’un organisme vivant, aussi appelé métabolome. Celui-ci est en interaction avec les différents niveaux d’information de notre organisme (ADN–génome, ARN–transcriptome, protéines–protéome), mais aussi avec l’environnement extérieur par l’intermédiaire de mécanismes régulateurs. Diverses approches de chimie analytique (spectroscopie par résonance magnétique nucléaire [RMN] et spectrométrie de masse principalement) permettent une quantification en parallèle de nombreux métabolites, dont la liste est fonction des seuils de détection et de résolution de chaque technique. La RMN est une technique de caractérisation biochimique basée sur l’observation de la relaxation du spin nucléaire (propriété quantique du noyau des atomes) lors de son interaction avec un champ magnétique externe et des impulsions de radiofréquence. La spectrométrie de masse est quant à elle une technique de caractérisation biochimique basée sur la séparation en phase gazeuse de molécules chargées (ions), issues d’un processus de fragmentation de molécules mères, en fonction de leur rapport masse/charge. Il est ainsi possible d’obtenir des caractérisations biochimiques d’échantillons biologiques humains (aussi appelé « profil ou signature métabolique ») pouvant être comparées afin d’identifier des éléments distinctifs de certains états physiopathologiques (phénotype métabolique). Le métabolisme humain comporte plusieurs milliers de métabolites. L’objectif du phénotypage métabolique est d’identifier les voies métaboliques perturbées par un processus physiopathologique.
En anesthésie-réanimation, le phénotypage métabolique pourrait être une approche très utile dans toute la période périopératoire : screening préopératoire afin d’évaluer le risque chirurgical et l’identification d’états pathologiques quiescents, suivi peropératoire et prise en charge globale en réanimation, quel qu’en soit le motif d’admission. Cette technologie pourrait ainsi évaluer l’adéquation de la perfusion d’organe et le risque ou la survenue de complications.
Nous décrirons brièvement les techniques de profilage métabolique par RMN puis les outils statistiques permettant l’établissement d’un phénotype métabolique, l’identification des voies métaboliques perturbées et la validation de ces résultats. Nous commenterons enfin les résultats à visée médicale déjà obtenus par phénotypage métabolique avant de nous focaliser sur les apports que cette approche pourrait apporter pour la prise en charge périopératoire et en réanimation des patients, du nouveau-né à l’adulte. Les principaux termes spécifiques au phénotypage métabolique sont repris dans un glossaire.
Section snippets
Analyse biochimique par résonance magnétique nucléaire
La RMN est une technique d’analyse chimique basée sur l’interaction entre un champ magnétique externe et une propriété quantique intrinsèque des noyaux des atomes, le spin. Elle utilise des spectromètres de RMN, c’est-à-dire des aimants à champs permanents plongés dans des liquides de refroidissement (hélium et azote liquides). Ces appareils onéreux sont jusqu’à présent restés cantonnés aux laboratoires de recherche, mais de nombreux projets en France et à l’étranger visent à intégrer les
Phénotypage métabolique en médecine
Les premières approches de l’utilisation de la RMN comme sonde du métabolisme remontent aux années 1980 avec la réalisation et la description des premiers spectres de plasma ou d’urine [2]. Une véritable accélération a eu lieu à la fin des années 1990, avec l’établissement d’une définition claire par Nicholson et al. [1] comme étant la « compréhension de la réponse globale d’un organisme vivant à des stimuli biologiques » complétant ainsi l’approche plus séquentielle et descriptive développée
Apports du phénotypage métabolique en anesthésie-réanimation
Étonnamment, l’anesthésie-réanimation ne compte pas beaucoup d’études cliniques comportant une approche de phénotypage métabolique par RMN.
En réanimation, les travaux portent principalement sur des sepsis induits par traumatisme sur des modèles animaux, ou sur des corrélations entre clinique et profils métaboliques (Tableau 1).
Chez le rat, l’analyse du profil métabolique urinaire a permis de discriminer des rats traumatisés de rats contrôles [47]. Chez l’homme, l’analyse du phénotypage du sérum
Évaluation périopératoire du patient
L’évaluation du risque opératoire d’un patient est une des principales préoccupations de l’anesthésiste-réanimateur devant permettre la réalisation d’un acte chirurgical tout en minimisant le risque de complications. Le phénotypage métabolique pourrait permettre d’identifier des anomalies du métabolisme chez un individu par rapport à la population générale, indiquant la nécessité d’investigation afin d’évaluer les conséquences potentielles de l’anomalie repérée. Il serait ainsi possible de
Déclaration d’intérêts
Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article.
Glossaire
- Métabolite
- Composé organique de bas poids moléculaire réactif ou substrat des réactions biochimiques composant le métabolisme.
- Métabolome
- Ensemble des métabolites qui peuvent être trouvés dans un échantillon biochimique.
- Métabolomique
- Étude systémique de l’empreinte biochimique unique laissée par un processus cellulaire. Concept développé pour l’étude du métabolisme végétal par spectrométrie de masse.
- Métabonomique
- Étude de la réponse systémique d’un organisme à un stimulus physiopathologique par
Références (76)
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750 MHz 1H NMR spectroscopy of human blood plasma
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Comparison of some chemometric tools for metabonomics biomarker identification
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Reducing over-optimism in variable selection by cross-model validation
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Metabolic profiling of a Schistosoma mansoni infection in mouse tissues using magic-angle spinning-nuclear magnetic resonance spectroscopy
Int J Parasitol
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Identification of a serum-detectable metabolomic fingerprint potentially correlated with the presence of micrometastatic disease in early breast cancer patients at varying risks of disease relapse by traditional prognostic methods
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Metabolic signatures of malignant progression in prostate epithelial cells
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Metabolomics in neonatology: fact or fiction?
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Metabolomics in neonatology and pediatrics
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“Metabonomics”: understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data
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Metabotyping of Caenorhabditis elegans reveals latent phenotypes
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Metabolomics-on-a-chip and predictive systems toxicology in microfluidic bioartificial organs
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O2-PLS for qualitative and quantitative analysis in multivariate calibration
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Statistical recoupling prior to significance testing in nuclear magnetic resonance based metabonomics
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Statistical total correlation spectroscopy scaling for enhancement of metabolic information recovery in biological NMR spectra
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Statistical total correlation spectroscopy editing of 1H NMR spectra of biofluids: application to drug metabolite profile identification and enhanced information recovery
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Statistical total correlation spectroscopy: an exploratory approach for latent biomarker identification from metabolic 1H NMR data sets
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Analytic properties of statistical total correlation spectroscopy based information recovery in 1H NMR metabolic data sets
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Data-driven approach for metabolite relationship recovery in biological 1H NMR data sets using iterative statistical total correlation spectroscopy
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Two-dimensional statistical recoupling for the identification of perturbed metabolic networks from NMR spectroscopy
J Proteome Res
Orthogonal filtered recoupled-STOCSY to extract metabolic networks associated with minor perturbations from NMR spectroscopy
J Proteome Res
Chemometrics
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Statistical strategies for avoiding false discoveries in metabolomics and related experiments
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Untargeted metabolome quantitative trait locus mapping associates variation in urine glycerate to mutant glycerate kinase
J Proteome Res
Impact of analytical bias in metabonomic studies of human blood serum and plasma
Anal Chem
Bootstrap methods: another look at the jackknife
Ann Stat
Receiver-operating characteristic (ROC) plots: a fundamental evaluation tool in clinical medicine
Clin Chem
Data-driven sample size determination for metabolic phenotyping studies
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Approximate power and sample size calculations with the Benjamini-Hochberg method
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Metabolic consequences of p300 gene deletion in human colon cancer cells
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Metabolic profiling reveals a contribution of gut microbiota to fatty liver phenotype in insulin-resistant mice
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1H NMR-based metabonomics for investigating diabetes
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Cited by (1)
Metabolomics in anesthesiology and critical care: Time for the big leap?
2014, Annales Francaises d'Anesthesie et de Reanimation