Recherche et validation de biomarqueurs lipidiques du globule rouge par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. Application au diagnostic et au suivi thérapeutique de la maladie de Gaucher

Research and validation of red blood cell lipid biomarkers based on liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Application to the diagnosis and monitoring of Gaucher disease

• Auteur / Autrice : Caroline Chipeaux
• Direction : Sylvie Héron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lipides : systèmes analytiques et biologiques (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Héron, Philippe Maître, Didier Thiébaut, Loïc Garçon, Marine de Person, Mélanie Franco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Thiébaut, Loïc Garçon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Érythrocytes

Sphingolipidoses

Spectrométrie de masse

Chromatographie en phase liquide à hautes performances

Lipides

Mots clés libres

Lipidomique

UHPLC-MS/MS

Erreurs innées du métabolisme

Maladie de Gaucher

Globules rouges

Biomarqueurs

Lipidomics

UHPLC-MS/MS

Inborn errors of metabolism

Gaucher disease

Red blood cells

Biomarkers

Résumé

Chez l’homme, les erreurs innées du métabolisme des lipides sont dues à des déficits enzymatiques, entraînant une accumulation intracellulaire de substrats lipidiques. Il en résulte un large éventail de symptômes tels que des atteintes viscérales, osseuses et dans certains cas neurologiques. En outre, de nombreux patients atteints de ce type de maladie présentent des anomalies hématologiques et vasculaires attribuées à des anomalies rhéologiques du globule rouge (GR). Ces observations ont conduit à l’hypothèse de l’existence d’un lien entre les propriétés anormales du GR et sa composition lipidique. Or actuellement, le profil lipidique du GR normal reste méconnu. Cependant, le diagnostic précoce de ces troubles est d’une importance capitale pour la prise en charge des patients, notamment dans les cas où un traitement correctif est disponible. La maladie de Gaucher (MG) de type 1, qui est une maladie lysosomale caractérisée par un déficit en β-glucocérébrosidase et pour laquelle un traitement enzymatique substitutif (ERT) est proposé, en est le meilleur exemple. D’où l’intérêt de disposer d’un outil simple et rapide de diagnostic de ce type de maladie.Dans le cas de la MG, le diagnostic repose encore sur la mise en évidence, laborieuse, du déficit enzymatique. Néanmoins, des travaux récents suggèrent que les anomalies rhéologiques du GR pourraient être dues à l’accumulation de quatre sphingolipides, le glucosylcéramide, la glucosylsphingosine, la sphingosine et la sphingosine-1-phosphate, qui seraient de bons candidats biomarqueurs. Or, les méthodes actuelles de dosage de ces sphingolipides nécessitent au moins deux étapes chromatographiques, avec pour chacune une étape longue et fastidieuse de préparation de l’échantillon, ce qui ne facilite guère une approche lipidomique de ce sujet. En outre, seul le glucosylcéramide a été dosé dans le GR tandis que les trois autres sphingolipides n’ont été dosés que dans le plasma. Ces candidats biomarqueurs restent donc à valider.Dans cette thèse, nous avons développé et validé une méthode simple et rapide, par UHPLC-MS/MS, de dosage simultané des 4 sphingolipides impliqués dans la MG. L’application de cette méthode à des GR provenant de patients atteints de la MG, en collaboration avec l’Institut National de Transfusion Sanguine et la société Shire, nous a permis de : 1- valider un biomarqueur parmi les quatre proposés et de montrer que les trois autres n’étaient pas suffisamment spécifiques ; 2- vérifier l’efficacité du traitement ERT actuellement proposé et 3- confirmer l’hypothèse de départ reliant les anomalies rhéologiques du GR à sa composition lipidique.De même, une étude systématique des conditions opératoires nous a permis de généraliser la méthode proposée à l’identification et au dosage de l’ensemble des sphingolipides présents dans un GR ainsi que des phospholipides, constituants majoritaires de sa membrane. Appliquée à la quantification simultanée d’une trentaine de sphingolipides et de phospholipides dans le GR normal et celui de la MG, cette méthode nous a permis de mettre en évidence l’implication d’autres lipides polaires dans la maladie de Gaucher, outre les 4 sphingolipides jusqu’alors proposés. De même, il est prévu de l’adapter à moyen terme pour le profilage total, par classe, de tous les lipides présents dans le GR.Enfin, nous avons évalué d’autres techniques de SM telles que la haute résolution et la mobilité ionique (TWIMS et DIMS) dans le but d’affiner la recherche de nouveaux biomarqueurs, notamment par l’identification des lipides isomères non discriminables par les techniques de MS conventionnelles. Grâce à une collaboration avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, CNRS UMR 8000) nous avons montré la faisabilité de cette approche en séparant en DIMS deux isomères : la galactosylsphingosine 18:1 et la glucosylsphingosine 18:1 et nous poursuivons actuellement cette étude pour séparer d’autres couples d’isomères.

In humans, hereditary disorders of lipid metabolism are due to enzyme deficiencies, resulting in intracellular accumulation of lipid substrates. This results in a wide range of symptoms such as visceral, bone and in some cases neurological disorders. Furthermore, many patients suffering such diseases have hematologic and vascular symptoms attributed to red blood cell (RBC) rheological abnormalities. These observations led to a hypothesis linking RBC abnormal properties to its lipid composition. However, the lipid profile of normal RBC remains unknown to date. Early diagnosis of these conditions is of importance notably when a therapy is available. This is the case for Gaucher disease (GD) type 1, a lysosomal disorder characterized by β-glucocerebrosidase deficiency, where an enzyme replacement therapy (ERT) is proposed. Hence, the availability of a simple and rapid tool of diagnosis of such a disorder is of great importance, notably for a better patient care and monitoring.To the best of our knowledge, standard diagnosis procedures and monitoring of GD patients are still based on the tedious evaluation of enzyme deficiency. Nevertheless, recent works suggest that these rheological disorders may be due to the accumulation of four sphingolipids, glucosylceramide, glucosylsphingosine, sphingosine and sphingosine-1-phosphate, which could be considered as relevant biomarkers. However, most of current determination methods of these sphingolipids require at least two liquid chromatographic runs, each with a time-consuming sample preparation step that does not facilitate a lipidomic approach. In addition, only glucosylceramide was quantified in RBC while the other three sphingolipids were quantified only in plasma. Thus, these biomarker candidates remain to be validated.In this PhD, we describe a simple and rapid UHPLC-MS/MS method of simultaneous determination of the 4 sphingolipids involved in GD in both plasma and RBC. The application of this method to RBC from GD patients, in collaboration with the Institut National de Transfusion Sanguine and Shire (USA), allowed us: 1- to validate one biomarker among the four proposed candidates and to show that the other three candidates are not specific; 2- to check the efficiency of the proposed ERT and 3- to confirm the initial hypothesis linking the RBC rheological abnormalities to its lipid composition.Also, a systematic study of the operating conditions allowed us to generalize the proposed method to the determination of not only all the sphingolipids present in RBC but also all phospholipids, which are the major constituents of its membrane. The application of the later method to the simultaneous quantification of thirty sphingolipids and phospholipids in normal and GD RBCs, allowed us to validate it and to unravel the involvement of other candidate biomarkers of GD, different from the 4 previous sphingolipids. Providing appropriate modifications, this method is intended to be used for the profiling of all lipid classes in plasma and RBC. This is our main objective in the medium-term.Finally, we evaluated other modern MS techniques such as high resolution (HRMS) and ion mobility (TWIMS and DIMS) in order to refine the investigation of new biomarker candidates, including the separation of lipid isomers that cannot be discriminated by conventional MS techniques. Indeed, in collaboration with the Laboratoire de Chimie Physique (LCP, CNRS UMR 8000), we here show the feasibility of this approach by achieving the separation of two isomers, by the DIMS technique: galactosylsphingosine 18:1 and glucosylsphingosine 18:1, which cannot be separated by conventional methods. We are currently pursuing these investigations in order to separate other isomers.