Séparation, identification et quantification de métabolites isomères par spectrométrie de mobilité différentielle

Separation, identification and quantification of isomeric metabolites by differential mobility spectrometry

• Auteur / Autrice : Yali Wang
• Direction : Philippe Maitre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 14/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Salpin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Héloïse Dossmann, Sandra Alves, François Fenaille, Didier Thiébaut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Héloïse Dossmann, Sandra Alves

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marqueurs biologiques

Métabolomique

Isomérie

Spectroscopie de mobilité ionique

Spectrométrie de masse

Mots clés libres

Spectrométrie de mobilité différentielle

Isomères

Métabolomique

Quantification

Biomarqueurs

Differential mobility spectrometry

Isomers

Metabolomics

Quantification

Biomarkers

Résumé

Les acides aminés protéinogènes et les composés apparentés sont des métabolites qui peuvent servir de biomarqueurs sensibles des maladies métaboliques (MD). Des protocoles basés sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) sont couramment utilisés pour le diagnostic à l'hôpital. Ces protocoles LC-MS/MS pour la quantification des biomarqueurs sont particulièrement robustes, mais il existe un besoin pour des méthodes alternatives et/ou complémentaires plus spécifiques et rapides, et qui pourraient résoudre certains métabolites isobares ou isomères spécifiques, et traiter simultanément plusieurs classes de métabolites. Notre objectif était d'évaluer les performances de protocoles basés sur la spectrométrie de mobilité différentielle (DMS) couplée à la MS/MS pour la métabolomique ciblée. Un dispositif DMS a été spécialement conçu à cet effet, qui a pu être monté sur deux de nos instruments MS/MS. Nous nous sommes également intéressés aux aspects fondamentaux de la séparation et de l'identification des espèces isomériques à l'aide du DMS. À cette fin, la méthode dite Infrared Multiple Photon dissociation (IRMPD) a été utilisée dans les séquences DMS-MS/MS(IRMPD) afin d'identifier les pics de DMS et même de résoudre les pics se chevauchant. Dans ce dernier cas, l'ajout de molécules polaires dans le gaz porteur conduisant à la modifier-assisted-DMS s'est révélée être une alternative pour résoudre les pics de DMS, qui sont caractérisés par une tension de compensation (CV) appliquée à l'une des deux électrodes de DMS. Une importante valeur ajoutée de ce travail a été de montrer que la valeur de CV associée à un métabolite est très stable et peut donc être utilisée comme identifiant. Aucun effet de matrice ou de concentration n'a été constaté lors de l'analyse des solutions standard et des échantillons de plasma sain ou de patients atteints de MD. Grâce à une suite de programmes R dédiés, l'analyse quantitative et statistique des données a pu être faite rapidement. Les résultats de quantification d'un ensemble de métabolites par DMS-MS se sont révélés en excellent accord avec ceux obtenus à l'hôpital par LC-MS/MS. Nous avons même montré que des protocoles plus rapides basés sur quelques analyses DMS-MS sélectionnées à des valeurs CV fixes spécifiques de métabolites cibles sont également fiables, et pourraient être utilisés, par exemple, pour le diagnostic d'urgence du MSUD.

The Proteinogenic amino acids and related compounds are metabolites which can act as sensitive biomarkers of metabolic diseases (MDs). Protocols based on liquid chromatography hyphenated to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) are routinely used for diagnosis at the hospital. These LC-MS/MS protocols for biomarker quantification are particularly robust, but there is a need for alternative and/or complementary methods that are more specific and rapid, and that could resolve specific isobaric or isomeric metabolites, and address multiple classes of metabolites simultaneously. Our objective was to assess the performance of protocols based on differential mobility spectrometry (DMS) hyphenated to MS/MS for targeted metabolomics. A home-built device has been specifically designed for this purpose, which could be mounted on two of our MS/MS instruments. We were also interested in fundamental aspects of separation and identification of isomeric species using DMS. For this purpose, infrared multiple photon dissociation (IRMPD) was used in DMS-MS/MS(IRMPD) sequences in order to identify DMS peaks and even resolved overlapping peaks. In the latter case, addition of polar molecules in the carrier gas leading to modifier-assisted DMS was found as an alternative for resolving DMS peaks, which are characterized by a compensation voltage (CV) applied to one of the two DMS electrodes. An important added-value of this work was to show that CV value associated with one metabolite is very stable and could thus be used as an identifier. No matrix, nor concentration effects were found upon the analysis of standard solutions and healthy and MD plasma samples. Using a dedicated R-suite of programs, quantitative data analysis and statistics could be rapidly performed. Quantification results for a set of metabolites using DMS-MS were found to be in excellent agreement with those obtained at the hospital using LC-MS/MS. We even showed that faster protocols based on few selected DMS-MS analysis at specific fixed CV values are also reliable, and could be used, for example, for emergency diagnosis of MSUD.