Analyse des composés organiques volatils dans l'air expiré chez des volontaires sains : comparaison de trois techniques de spectrométrie de masse pour la caractérisation du volatolome dans les études cliniques (VOC-COMPARE)

La médecine de précision, ou médecine personnalisée ou médecine individualisée, représente une source d’espoir importante pour alléger le fardeau social et économique des pathologies graves. Il n’existe pas de définition communément acceptée de la notion de « médecine personnalisée ». Cependant, selon le Conseil européen, la médecine personnalisée est un modèle médical qui repose sur la caractérisation des phénotypes et des génotypes des personnes (par exemple par le biais du profilage moléculaire, de l'imagerie médicale, des informations sur le mode de vie) pour proposer la bonne stratégie thérapeutique à la bonne personne, au bon moment. et/ou pour établir l’existence d’une prédisposition à une maladie et/ou pour assurer une prévention ciblée et opportune. La médecine personnalisée est liée à la notion plus large de « soins centrés sur le patient », qui prend en compte la nécessité générale pour les systèmes de santé de mieux répondre aux besoins des patients. Les avancées de la recherche ont permis de développer des signatures « omiques » de réponses thérapeutiques à certains cancers ou maladies rares. Cependant, si quelques biomarqueurs omiques ou cellulaires ont été développés, ils restent aujourd'hui insuffisants et trop complexes pour envisager leur généralisation pour le traitement individualisé des patients. Il existe donc aujourd’hui un potentiel important de développement d’une médecine de précision pour les pathologies sévères. Un obstacle majeur en médecine de précision est l’indisponibilité de biomarqueurs faciles d’accès, non invasifs, mesurables avec des techniques performantes, rapides, faciles à utiliser, reproductibles, peu coûteux et facilement déployables à grande échelle.

L'analyse de l'air expiré (volatolomics) est issue de la dernière technologie « omics », la métabolomique, dédiée à l'analyse des petites molécules de l'organisme, et permet de détecter en temps réel, au lit du malade, les composés organiques volatils (COV) éliminés grâce au poumons. Des milliers de COV ont été identifiés dans l'air expiré suite à des événements infectieux, inflammatoires ou pathologiques [5, 6] avec des exemples dans le domaine des maladies infectieuses pour le diagnostic de la tuberculose, des infections fongiques invasives, de la colonisation bactérienne des voies respiratoires [7-10] ou pneumonie associée à la ventilation chez les patients en soins intensifs [11-16]. Pour les infections virales, des modèles animaux d'infections grippales et des études cliniques chez des patients atteints de maladie pulmonaire obstructive chronique suggèrent également l'avantage de l'analyse des COV (17, 18). Dans ce contexte infectieux, « l'empreinte respiratoire » détectée reflète un mélange de métabolites d'origine microbienne, de biomarqueurs directs de la présence d'agents pathogènes, et de métabolites générés par l'hôte en réponse à l'infection. Ainsi, l'analyse de l'air expiré, dont les principaux avantages sont un prélèvement totalement non invasif et l'analyse instantanée permise par certaines technologies (résultat en quelques minutes), pourrait être utilisée pour le diagnostic, le dépistage à grande échelle, la surveillance des infections et la prédiction. de réponse au traitement. Les défis technologiques pour sa réalisation sont liés à la grande diversité chimique des COV à étudier et à l’abondance particulièrement faible de nombre d’entre eux.

La technologie de référence pour l'analyse des COV est la spectrométrie de masse (MS), qui utilise des instruments constitués de (1) une source d'ionisation dont la fonction est d'ioniser les COV contenus dans l'air expiré, (2) un analyseur qui trie les ions formés selon leur rapport masse sur charge (m/z) et (3) un détecteur qui permet l'analyse quantitative des signaux m/z d'un échantillon. Plusieurs types de spectromètres de masse peuvent être utilisés, et, à défaut de méthode consensuelle et standardisée, disposent de méthodes pratiques pour réaliser différentes analyses qui conduisent également à la génération de signaux propres à chacun d'eux, la nature, la complexité et la l'exhaustivité des informations contenues étant hétérogène. Chaque type d'instrument présente des avantages et des inconvénients en termes de facilité de prélèvement, de rapidité d'analyse, d'exhaustivité des informations et de contraintes techniques et analytiques pour réaliser les analyses. Par exemple, certains instruments tels que les spectromètres de masse à réaction de transfert de protons (PTR-MS) [16, 19, 20] ou ceux utilisant l'ionisation douce par réaction de transfert chimique (SICRIT) [21] sont pertinents pour effectuer des mesures en ligne et en temps réel, sans stocker d'échantillon d'air expiré mais varient selon leur mode d'ionisation et la résolution des détecteurs associés. Cependant, leur niveau d'information généré ne permet généralement pas d'identifier les COV (ionisation douce, absence de séparation chromatographique, etc.). En effet, une fois qu'une signature des COV (caractérisée par leur m/z) est découverte, leur identification chimique formelle est alors l'étape critique et obligatoire pour améliorer les connaissances sur la physiologie et les processus de régulation des COV ainsi que pour mettre en place et valider cliniquement des méthodes de mesures quantitatives basées sur des technologies portables (capteurs, etc.). La chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse (GCxGC-MS) est actuellement la technologie la plus avancée à cet effet, combinant deux colonnes chromatographiques à phases stationnaires complémentaires et ionisation des COV par impact électronique avant détection MS. Les composés coélués dans la chromatographie en phase gazeuse conventionnelle peuvent être séparés par GCxGC, et plusieurs équipes ont publié des études de validation de principe utilisant GCxGC-MS pour la découverte de biomarqueurs respiratoires pour le diagnostic du cancer du poumon [ 22], de la tuberculose [23] ou du phénotypage de l'asthme sévère [1] . L'un des principaux défis consiste à établir la concordance des signaux générés par les différentes approches technologiques, certaines employant une séparation chromatographique préalable, d'autres non, et certaines employant des méthodes d'ionisation douce alors que celles des autres sont au contraire dures. Ainsi, la disponibilité de jeux de données obtenus sur une même population avec ces approches technologiques complémentaires permettra des progrès significatifs pour l'identification des COV d'intérêt dans les études cliniques, au-delà de la simple comparaison des performances analytiques des différentes méthodes.