II. 5. La métabolomique comme diagnostic complémentaire – plus près de la fonction

La métabolomique ne mesure pas qui est présent dans l'intestin, mais ce que ces micro-organismes produisent – elle saisit directement la fonction, et non la seule composition du microbiome.

Qu'est-ce que la métabolomique, et en quoi diffère-t-elle du séquençage ?

Les analyses 16S et shotgun mesurent la composition du microbiome : qui est présent dans l'intestin. La métabolomique, à l'inverse, mesure la fonction du microbiome : les produits métaboliques fabriqués par les microbes (et, dans une moindre mesure, par l'hôte). Acides gras à chaîne courte (butyrate, propionate, acétate), métabolites des acides biliaires, produits de dégradation du tryptophane, polyamines, indoles – ce sont là les molécules qui « font » réellement quelque chose dans l'organisme : nourrir la paroi intestinale, moduler le système immunitaire, influencer le fonctionnement cérébral et déterminer l'état inflammatoire [459].

Cette différence fondamentale est cliniquement déterminante : la composition du microbiome ne confirme pas à elle seule qu'une fonction donnée s'exerce. La présence d'une bactérie productrice de butyrate ne garantit pas qu'une quantité suffisante de butyrate soit produite – pour cela, il faut le substrat approprié (les fibres), un pH approprié, un environnement compétitif approprié et une expression génique active. La métabolomique, à l'inverse, mesure directement le produit final : non seulement si l'« usine » est là, mais si elle produit [460].

Comment réalise-t-on une analyse métabolomique ?

Les plateformes de métabolomique clinique les plus courantes utilisent la spectrométrie de masse (SM) et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) [460] – généralement à partir de selles, de sérum ou d'urine. L'analyse peut mesurer simultanément des centaines à des milliers de métabolites, qui sont ensuite regroupés et interprétés à l'aide d'outils bio-informatiques. La métabolomique non ciblée enregistre toutes les molécules détectables ; l'approche ciblée se concentre sur un panel de métabolites défini à l'avance.

Les avantages de la méthode sont réels : elle fournit une information fonctionnelle directe, ne nécessite pas d'amplification de l'ADN (les biais du séquençage d'amplicons ne s'appliquent donc pas) et s'appuie sur des plateformes de SM déjà utilisées en routine dans les laboratoires cliniques. La métabolomique par RMN est particulièrement reproductible et comparable d'un laboratoire à l'autre, car son principe physique de mesure dépend moins des kits de réactifs [460].

Limites et difficultés d'interprétation

• Non spécifique du microbiome : une partie des métabolites mesurés dans les selles et le sérum provient aussi du métabolisme propre de l'hôte, de l'alimentation et des médicaments. Distinguer l'« origine microbienne » n'est pas toujours possible [460].
• Instantané dans le temps : les taux de métabolites changent rapidement – manger, faire de l'exercice et le stress peuvent influencer les résultats en quelques heures. Une mesure isolée fournit un instantané, non une caractéristique stable.
• Bases de données incomplètes : l'identification chimique et la fonction biologique d'une proportion importante des métabolites détectés restent inconnues ; dans les analyses non ciblées, les « pics inconnus » non annotés représentent une grande part des signaux, et à leur sujet nous ne pouvons actuellement rien dire [460].
• Absence de plages de référence cliniques validées : comme pour le séquençage, la métabolomique manque d'une référence calibrée sur l'individu, son alimentation, son âge et son état de santé. Définir un taux de butyrate « normal » est tout aussi dépendant du contexte que définir une composition « normale » du microbiome.
• Interpolation et déductions fondées sur des modèles : les reconstructions de voies fonctionnelles (par exemple l'estimation des voies métaboliques microbiennes à partir de données de métabolites) contiennent elles aussi une interpolation algorithmique – les points de mesure manquants sont « comblés » par le modèle à partir de relations biochimiques connues [460], [459].

Lien avec la FMT et applicabilité clinique

Dans la FMT, la métabolomique est un outil complémentaire prometteur. Le succès de la transplantation peut se signaler non seulement par l'apparition des souches du donneur, mais aussi par la restauration du profil métabolique fonctionnel : hausse du butyrate fécal, normalisation des métabolites des acides biliaires, baisse des indicateurs inflammatoires. Le métabolome fécal peut se lire comme une lecture fonctionnelle du microbiome et porte une information en partie indépendante de la composition microbienne [460] ; que la normalisation métabolomique suive toutefois l'amélioration clinique de manière plus fiable que les changements de composition taxonomique n'a pas encore été démontré par des études prospectives.

En routine clinique, cependant, la métabolomique n'en est pas encore au point où se trouve le séquençage [460], [459] – c'est-à-dire largement disponible dans le commerce mais limitée dans l'aide à la décision clinique. Les raisons en sont, d'une part, le coût plus élevé et l'absence de standardisation des plateformes, d'autre part le caractère encore embryonnaire du cadre d'interprétation. L'orientation du développement va clairement vers l'application combinée, multi-omique, de la métabolomique et du séquençage du microbiome – où composition et fonction deviennent visibles simultanément.

Références

[459] Sonnenburg JL, Bäckhed F. Diet–microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature. 2016. Link

Revue des mécanismes reliant le microbiote intestinal à l'obésité et au diabète de type 2, s'appuyant sur des modèles animaux translationnels et des études humaines. Le microbiote apparaît comme un médiateur de l'impact de l'alimentation sur le statut métabolique de l'hôte, avec des efforts croissants pour établir des relations causales chez l'homme et développer des interventions thérapeutiques, y compris la nutrition personnalisée.

[460] Zierer J, Jackson MA, Kastenmüller G et al. The fecal metabolome as a functional readout of the gut microbiome. Nat Genet. 2018. Link

L'analyse exhaustive de 1 116 métabolites chez 786 individus de l'étude de jumeaux en population TwinsUK a montré que le métabolome fécal n'est que modestement héritable (H2 = 17,9%), avec un locus répliqué au niveau de NAT2 associé aux traits métaboliques fécaux. Le métabolome fécal reflète largement la composition microbienne intestinale, qui explique en moyenne 67,7% (+/-18,8%) de sa variance, et il est fortement associé à la masse grasse viscérale. Ces résultats positionnent la métabolomique fécale comme une lecture fonctionnelle reliant la composition du microbiome à l'obésité abdominale.