Identification of biomarkers using-omics approach for the early detection of chronic kidney disease and its complications
Identification de biomarqueurs urinaires par des approches -omiques pour la détection précoce d'une maladie rénale chronique et ses complications
Résumé
Early diagnosis of diseases is a big challenge to improve patients' health and quality of life. 'Omics' analyses, which allow the global and simultaneous quantification of the relative abundance of thousands of molecules in biological fluids are promising for the identification of early biomarkers of complex diseases. In this context, the objective of my thesis was to develop diagnostic tools, based on urinary peptidome and metabolome analyses, for the early detection of chronic kidney disease (CKD) and associated cardiovascular complications. The first study, as part of the 4C European project (Cardiovascular Complications in Children with Chronic kidney disease), focused on analyzing the cardiovascular complications associated to CKD in children. These complications are the main cause of mortality in children with CKD and their early diagnosis is impossible for now. Analysis of the urinary peptidome of 86 children with or without cardiovascular complications associated to CKD by capillary electrophoresis coupled to mass spectrometry (CE-MS), led to the identification of two sets of peptides for the early prediction of high cardiovascular risk in pediatric patients: 190 peptides were associated to an increase of the carotid intima-media thickness (AUC 0.87, sensitivity 80%, specificity 100%) and 22 peptides were associated to an increase in arterial stiffness (AUC 0.83, sensitivity 83%, specificity 70%). The second study falls in the field of veterinary medicine. In this study, carried out on 50 dogs with or without CKD, we analyzed for the first time the canine urinary peptidome using the CE-MS technology. We identified 133 urinary peptides associated to CKD allowing an accurate diagnosis of CKD in 80% of the dogs. Metabolites correlate best to phenotype compared to other molecular traits. However, the use of metabolomics for identification of clinically relevant biomarkers is very limited due to the lack of high-performance analytical technologies. The third part of my thesis was to develop a procedure for the quantification of urinary metabolites by CE-MS. Using a unique method of internal normalization based on endogenous and stable metabolites, we can now analyze the metabolite content of the same urine sample with a high reproducibility over the long-term (4 years). As a proof-of-concept, we demonstrated that this developed procedure led to the identification of a set of 32 urinary metabolites that allow the early identification of newborns with an obstructive kidney anomaly with a sensitivity of 76% and a specificity of 86%. Finally, the fourth study was dedicated to improving translational research. The aim was to develop aptasensors able to detect 'omics'-identified biomarkers with a high affinity and specificity to obtain a simple, rapid and low-cost diagnostic test. The biomarker chosen as target is a urinary fragment of alpha-1-antitrypsin, which is ~1000 more abundant in adults with CKD compared to healthy subjects. Aptasensors were selected by the Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Here we present preliminary work on the development of the SELEX for our target. In conclusion, this thesis shows the strength of the urinary content, in terms of peptides and metabolites, for the early diagnosis of complex pathologies like CKD and the associated cardiovascular complications. Moreover, the selection of aptasensors targeting these early biomarkers and that can be used at bedside, will revolutionize future diagnostic methods.
Diagnostiquer précocement les maladies est un défi à relever pour améliorer la prise en charge des patients concernés et leur offrir une meilleure qualité de vie. Les analyses 'omiques', qui quantifient globalement, simultanément et sans a priori l'abondance de milliers de molécules dans les liquides biologiques, s'avèrent très prometteuses pour l'identification de biomarqueurs précoces des maladies complexes. Dans ce contexte, mon travail de thèse avait pour objectif de développer des outils de diagnostics, à partir d'analyses du peptidome et métabolome urinaire, pour détecter précocement la présence d'une maladie rénale chronique (MRC) et la survenue de ses complications cardiovasculaires. La première étude, insérée dans le projet européen 4C (Cardiovascular Complications in Children with Chronic kidney disease), s'est centrée sur les complications cardiovasculaires associées à la MRC en pédiatrie. Ces complications constituent la principale cause de mortalité des enfants en insuffisance rénale, et leur diagnostic précoce est impossible à ce jour. En analysant par électrophorèse capillaire couplée à la spectrométrie de masse (CE-MS) le peptidome urinaire de 86 enfants souffrant, ou non, de complications cardiovasculaires secondaires à la MRC, nous avons identifié des peptides qui permettent de prédire à l'avance les patients à haut risque cardiovasculaire : 190 peptides étaient associés à l'épaississement de la paroi carotidienne (AUC 0.87, sensibilité 80%, spécificité 100%) et 22 peptides prédisaient l'augmentation de la rigidité artérielle (AUC 0.83, sensibilité 83%, spécificité 70%). Le second projet relevait de la médecine vétérinaire. Dans cette étude menée sur 50 chiens avec et sans MRC, nous avons caractérisé pour la première fois le peptidome urinaire canin via la technologie CE-MS et nous avons découvert 133 peptides urinaires associés à la MRC. Ces derniers ont permis de diagnostiquer la présence d'une MRC dans 80% des chiens. Les métabolites sont mieux corrélés au phénotype que les autres strates moléculaires. Cependant l'apport de la métabolomique en clinique est encore limité, dû au manque de technologies analytiques performantes. Le troisième objectif de ma thèse était donc de mettre au point une procédure de dosage par CE-MS des métabolites urinaires. Grâce à une méthode unique de normalisation interne, basée sur l'utilisation de métabolites endogènes stables, il est maintenant possible d'analyser le contenu en métabolites d'un même échantillon urinaire avec une très haute reproductibilité sur le long terme (4 ans). Comme preuve de concept, nous avons mis en évidence, via cette procédure, la présence d'une combinaison de 32 métabolites dans l'urine qui permet de repérer avec une sensibilité de 76% et une spécificité de 86% les nouveau-nés porteurs d'une malformation rénale obstructive. Enfin, la quatrième problématique s'inscrivait dans une démarche translationnelle. Son but était de développer des aptasenseurs capables de détecter avec de hautes affinités et spécificités les biomarqueurs d'origine omique, pour un diagnostic simple, rapide et à moindre coût. La cible choisie était un fragment urinaire de l'alpha-1-antitrypsine, qui est ~1000 fois plus abondant chez les adultes atteints de MRC que les chez les sains. La sélection de l'aptasenseur s'est faite par le Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Nous présentons ici les travaux préliminaires de la mise au point du SELEX sur cette cible. En conclusion, cette thèse démontre le potentiel de l'analyse du contenu urinaire en peptides et métabolites pour le diagnostic précoce des pathologies complexes telles que la MRC et les complications cardiovasculaires associées. De plus l'obtention d'aptasenseurs dirigés contre ces biomarqueurs précoces et utilisables au chevet du patient devrait révolutionner dans le futur les méthodes diagnostiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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