Projet ANR-10-JCJC-0804 – QUANTUM : Analyse Quantitative Ultrarapide par RMN 2D pour l'élucidation de métabolismes complexes
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie :  Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Patrick Giraudeau (UNIVERSITE DE NANTES)
Partenaires : Chimie et Interdisciplinarité : Synthèse, Analyse, Modélisation
Montant : 240000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 42 mois
Résumé : Au coeur de la matière et du vivant en une fraction de secondeLe projet QUANTUM a pour but de développer de nouvelles méthodes d’analyse ultrarapide par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour l’étude des échantillons biologiques, et particulièrement pour l’étude du métabolisme des cellules cancéreuses.
Nouvelles méthodes d’analyse ultrarapide pour l’étude d’échantillons biologiquesLe métabolisme est l’ensemble des transformations moléculaires et biologiques qui se déroulent dans les organismes vivants. Sa compréhension est un enjeu primordial, non seulement scientifique, mais également de société, car une meilleure connaissance des réactions biochimiques qui se déroulent dans les cellules permet le développement d’applications biologiques et médicales (nouveaux outils de diagnostic par exemple). Une branche majeure de la chimie, dite « analytique », s’intéresse entre autres à l’étude de tels échantillons. Une technique particulièrement puissante est la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). La RMN a l’énorme avantage d’être une technique non-invasive, c'est-à-dire que l’échantillon est laissé intact par l’analyse. Elle permet non seulement de caractériser les molécules présentes dans un échantillon, mais également de réaliser des mesures quantitatives (de mesurer la concentration de ces molécules). En particulier, la RMN à deux dimensions (RMN 2D), est un outil puissant et prometteur pour l’étude quantitative d’échantillons biologiques. Toutefois, elle est caractérisée par de longues durées d’expérience (jusqu’à plusieurs heures) qui limitent son utilisation et atténuent fortement ses performances, en particulier pour l’étude d’échantillons dont la durée de vie est limitée. Le but de ce projet est donc de développer de nouvelles méthodologies, afin de ramener cette durée d’analyse à une fraction de seconde. Ici, les méthodes développées seront appliquées à l’étude de cellules de cancer du sein afin de mieux comprendre les réactions biochimiques qui s’y déroulent.
Des méthodes novatrices, une validation rigoureuse et une application ambitieuse.En 2002, une méthode émergente et prometteuse a été proposée par le Pr. Lucio Frydman, un chercheur israélien renommé, permettant de réaliser une expérience de RMN 2D en une fraction de seconde. Très récemment, nous avons mis en place avec succès cette méthodologie dite « ultrarapide » au laboratoire CEISAM. Nous avons proposé plusieurs développements méthodologiques novateurs afin de rendre la RMN 2D ultrarapide applicable à l’analyse quantitative de mélanges complexes, élargissant ainsi le champ d’applications de cette méthode prometteuse. A partir de cette expérience, le but du projet QUANTUM est de développer une méthodologie analytique complète pour rendre la RMN 2D ultrarapide utilisable pour l’analyse quantitative de mélanges métaboliques complexes. Ce projet repose sur des développements méthodologiques originaux et novateurs. Ces méthodes optimisées feront l’objet d’une validation analytique complète, afin de les rendre applicables à l’étude quantitative d’échantillons réels tels que des extraits de cultures cellulaires cancéreuses. Au terme de ce projet, nous proposerons un ensemble d’outils utilisables en routine, incluant la stratégie analytique, les méthodes d'obtention des données, et les programmes de pré-acquisition et de traitement pour l’analyse quantitative par RMN 2D ultrarapide. Ces outils seront mis à disposition de la communauté académique via internet.
Résumé de la soumission : La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est un outil analytique extrêmement puissant, employé dans de nombreux domaines tels que l’élucidation de structures organiques, la biochimie, l’analyse pharmaceutique ou la spectroscopie in vivo. Cependant, la RMN souffre d’importantes limitations dues aux recouvrements entre les pics, en particulier dans le cas de mélanges complexes de métabolites. Par conséquent, la RMN 1D est peu adaptée à la quantification précise de biomarqueurs dans les échantillons complexes. La  RMN 2D, en revanche, permet de s’affranchir de cette limitation grâce à l’étalement des pics dans une dimension supplémentaire, et offre donc un important potentiel pour mesurer simultanément et sans ambiguïté la concentration d’un grand nombre de métabolites. Cependant, la RMN 2D reste peu utilisée pour l’analyse quantitative, tout d’abord car une procédure de calibration est nécessaire à cause de la nature multi-impulsionnelle des séquences de RMN 2D, et surtout à cause du temps nécessaire à la réalisation d’une telle calibration, en raison de la nature « multi-scan » des expériences de RMN 2D.Heureusement, une méthode émergente et prometteuse a été proposée en 2002 par le Pr. Lucio Frydman, permettant l’acquisition d’un spectre de RMN 2D en une fraction de seconde. Cette méthode, dite « ultrarapide », repose sur l’acquisition de l’ensemble des données en un seul scan. Très récemment, nous avons mis en place avec succès cette méthodologie au laboratoire CEISAM. Nous avons proposé plusieurs développements méthodologiques novateurs afin de rendre la RMN 2D ultrarapide applicable à l’analyse quantitative de mélanges, élargissant ainsi le champ d’applications de cette méthode prometteuse.A partir de cette expérience, le but du projet QUANTUM est de développer une méthodologie analytique complète pour rendre la RMN 2D ultrarapide utilisable en routine pour l’analyse quantitative de mélanges métaboliques complexes. Ce projet repose sur des développements méthodologiques originaux, centrés sur l’optimisation de la résolution et de la sensibilité des méthodes ultrarapides. Ces méthodes optimisées feront l’objet d’une validation analytique complète, afin de les rendre applicables à l’étude quantitative d’échantillons réels tels que des extraits de cultures cellulaires cancéreuses. Au terme de ce projet, nous proposerons un ensemble d’outils utilisables en routine, incluant la stratégie analytique, les séquences d’impulsions, et les programmes de pré-acquisition et de traitement pour l’analyse quantitative par RMN 2D ultrarapide. Ces outils seront mis à disposition de la communauté académique via internet.Notre implication dans le développement de la RMN 2D ultrarapide est un axe de recherche émergent au sein de notre groupe, dont l’expertise se situe essentiellement autour de l’analyse isotopique appliquée à l’authentification de produits d’origine naturelle ou l’élucidation de voies métaboliques. Cependant, bien que nos premiers travaux sur ce sujet datent seulement de 2007, nous sommes devenus en trois ans le second groupe de recherche au monde (le premier en Europe) par le nombre de publications portant sur la RMN 2D ultrarapide. De plus, nous avons publié la seule étude connue concernant l’application de la RMN 2D ultrarapide à l’analyse quantitative. Grâce à cette expérience, et afin d’élargir la diffusion des méthodes ultrarapides, nous souhaitons rendre ces dernières accessible en routine à un maximum de chercheurs, en développant des programmes adaptés et intégrés aux logiciels commerciaux existants, et en les mettant à disposition de la communauté scientifique.Enfin, le projet QUANTUM constitue une opportunité  de développer des méthodes rapides de RMN 2D quantitative appliquées aux études métabolomiques, ce qui constitue une approche nouvelle au sein du laboratoire CEISAM. Ce projet devrait ouvrir de nouvelles perspectives d’applications et enrichir le champ d’expertise de notre laboratoire.
Résultats : Les premiers résultats du projet QUANTUM font d’ores et déjà l’objet d’une large diffusion dans la communauté scientifique internationale. En 2012-2013, deux objectifs majeurs du projet QUANTUM ont été atteints. D’une part, de nouveaux développements ont été réalisés afin de rendre nos méthodes ultrarapides accessibles à la communauté scientifique par le biais d’une interface web. D’autre part, la première application quantitative de la RMN 2D ultrarapide a été réalisée : nos méthodes ont permis de mesurer, avec une précision inégalée, la concentration des principaux métabolites dans des extraits de cellules de cancer du sein.
Enfin, l’un des objectifs affichés du projet QUANTUM est la démocratisation de la RMN ultrarapide. Cela est réalisé par le biais de nombreuses collaborations, mais également par l’organisation du premier symposium international de RMN ultrarapide qui aura lieu le 26/09/13 à St Jacques de Compostelle (Espagne). Ce colloque, auquel 100 personnes sont déjà inscrites, offrira une visibilité internationale au projet QUANTUM.
Perspectives : Dans les prochains mois, nous allons bien sûr nous atteler à poursuivre le programme de recherche prévu dans le projet QUANTUM, afin d’atteindre les objectifs que nous nous sommes fixés. Les développements méthodologiques seront poursuivis, notamment en ce qui concerne la RMN ultrarapide hétéronucléaire. Nous poursuivrons notre effort de diffusion de nos méthodes vers une large communauté de chercheurs et d’utilisateurs, notamment par l’intégration de nos outils au logiciel commercial. Ensuite, nous poursuivrons l’application des méthodes développées à l’étude de cellules de cancer du sein, sur un plus grand nombre de lignées cellulaires. Les méthodes que nous développons devraient permettre une discrimination rapide et efficace de différentes lignées cancéreuses, ouvrant la voie à de nouveaux outils de diagnostics permettant par exemple la caractérisation de tumeurs cancéreuses.
Publications et brevets : Les premiers résultats du projet ont déjà donné lieu à 14 publications dans des revues internationales à comité de lecture. Ils ont également été présentés à la communauté scientifique lors de nombreux congrès nationaux et internationaux, faisant l’objet de 12 conférences et séminaires invités, 13 communications orales et 18 communications par affiche. La liste complète de cette production scientifique est disponible sur le site internet du projet QUANTUM.
www.sciences.univ-nantes.fr/CEISAM/anr/quantum.html