Développements analytiques pour la caractérisation non-ciblée et par profilage de suspects de l’exposome chimique dans le plasma et le sérum humain par LC-ESI-HRMS : optimisation et implémentation d’un workflow haut débit pour l’identification de nouveaux biomarqueurs d’exposition dans le plasma et le sérum sanguins.

Methodological developments for the non-targeted characterization of the human internal chemical exposome in epidemiological studies : optimizing and implementing a high-throughput workflow for the identification of new biomarkers of exposure in blood plasma and serum samples

• Auteur / Autrice : Jade Chaker
• Direction : Bernard Jégou, Arthur R. David
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Santé Publique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2018; Soutenance le 01/06/2022
• Etablissement(s) : Rennes, Ecole des hautes études en santé publique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Nantes)

Mots clés

Mots clés libres

Exposome

Analyse non-ciblée

Profilage de suspects

Spectrométrie de masse à haute résolution

Exposome

Non-targeted screening

Suspect screening

High-resolution mass spectrometry

Résumé

L’exposition chronique à des mélanges complexes de contaminants chimiques (xénobiotiques) est suspectée de contribuer à la survenue de certaines maladies chroniques. Encouragées par le développement de la spectrométrie de masse à haute résolution (SMHR) et l’émergence du concept d’exposome, des méthodes analytiques non-ciblées commencent à voir le jour pour caractériser l’exposition humaine aux xénobiotiques sans a priori. Ces méthodes innovantes pourraient ainsi permettre un changement d’échelle pour identifier de nouveaux facteurs de risque chimiques dans des études épidémiologiques. Ces approches présentent néanmoins plusieurs verrous, en lien, entre autres, avec la présence des contaminants à l’état de trace dans des matrices biologiques. Une optimisation de chaque étape analytique (préparation d’échantillon) et bio-informatique (prétraitement des données, annotation) est donc indispensable pour surmonter ces limites. L’objectif principal de ce travail est d’implémenter un workflow non-ciblé applicable aux études épidémiologiques pour apporter une solution opérationnelle à la caractérisation de l’exposome chimique interne à large échelle. Les développements effectués ont permis de proposer un workflow de préparation d’échantillon simple à mettre en œuvre et s’appuyant sur deux méthodes complémentaires pour élargir significativement l’espace chimique visible (jusqu’à 80% de marqueurs spécifiques à une méthode). L’optimisation de logiciels de prétraitement des données, réalisée pour la première fois dans un contexte exposomique, a permis de démontrer la nécessité d’ajuster certains paramètres pour assurer la détection des xénobiotiques à l’état de trace. Le développement d’un logiciel pour automatiser les approches de profilage de suspects avec des prédicteurs MS1, ainsi que le développement d’indices de confiance a permis de prioriser les marqueurs pertinents pour la curation manuelle. Une application à large échelle sur 125 échantillons de sérum de la cohorte Pélagie a permis de démontrer la robustesse et la sensibilité de ce nouveau workflow, ainsi que d’enrichir l’exposome chimique documenté avec la mise en évidence de nouveaux biomarqueurs d’exposition.

Chronic exposure to complex mixtures of chemical contaminants (xenobiotics) is suspected to contribute to the onset of chronic diseases. The technological advances high-resolution mass spectrometry (HRMS), as well as the concept of exposome, have set the stage for the development of new non-targeted methods to characterize human exposure to xenobiotics without a priori. These innovative approaches may therefore allow changing scale to identify chemical risk factors in epidemiological studies. However, non-targeted approaches are still subject to a number of barriers, partly linked to the presence of these xenobiotics at trace levels in biological matrices. An optimization of every analytical (i.e. sample preparation) and bioinformatical (i.e. data processing, annotation) step of the workflow is thus required. The main objective of this work is to implement an HRMS-based non-targeted workflow applicable to epidemiological studies, to provide an operational solution to characterize the internal chemical exposome at a large scale. The undertaken developments allowed proposing a simple sample preparation workflow based on two complementary methods to expand the visible chemical space (up to 80% of features specific to one method). The optimization of various data processing tools, performed for the first time in an exposomics context, allowed demonstrating the necessity to adjust key parameters to accurately detect xenobiotics. Moreover, the development of a software to automatize suspect screening approaches using MS1 predictors, and of algorithms to compute confidence indices, allowed efficiently prioritizing features for manual curation. A large-scale application of this optimized workflow on 125 serum samples from the Pélagie cohort allowed demonstrating the robustness and sensitivity of this new workflow, and enriching the documented chemical exposome with the uncovering of new biomarkers of exposure.