Lipids are a diverse and ubiquitous group of molecules that play essential roles in cellular function including membrane integrity, energy production and storage, and molecular signaling. Recent advancements in mass spectrometry technology and bioinformatics have enabled comprehensive lipid analysis with more sensitivity and specificity than ever before. As a result, lipidomics - the qualitative and quantitative analysis of lipids on a large scale, has emerged as a powerful phenotyping tool at the molecular level, for investigating lipid metabolism and its implications for metabolic health. Numerous lipidomics-data driven studies in cell biology, metabolism and endocrinology, immunology and physiology research have already unveiled previously unknown regulatory functions of lipids.
In this PhD thesis project, I developed a high-throughput, quantitative analytical platform for robust measurement of a wide panel of circulatory lipid species and demonstrated its applicability for the analysis of thousands of samples in large-scale human population studies. In the first instance, I showed that the entire panel of diverse lipid classes, from phospholipids to sphingolipids and neutral lipids (i.e., glycerolipids and cholesteryl esters), can be efficiently extracted with a single-step method using isopropanol, with the extraction yield which was higher or equivalent to gold standard biphasic protocols. Owing to its simplicity and ease of automation, this method was found to be well suited for its designated application in clinical lipidomics. Following the implementation of automated sample preparation, I designed and developed an innovative high-coverage, sensitive and high-throughput HILIC-based approach for lipid quantification. In its latest, extended version, this approach allowed for high precision measurement of 790 circulatory lipid species, spanning 22 different classes and six orders of magnitude-wide concentration range. Accurate quantification and robustness were achieved by combining the stable isotope dilution approach and the systematic analysis of NIST plasma reference material, as external quality control. Finally, the platform suitability for large-scale studies was demonstrated over the course of analysis of 1092 samples (in 13 batches) from prospective Lausanne population study (CoLaus). Based on NIST QC, 790 lipid species were measured with coefficient of variation lower than 20%. The biological variability, including intra- and inter-individual variation, was significantly higher than the specified batch-to-batch, analytical variability. The comparative analysis of intra- and inter-individual variation and unsupervised sample clustering conveyed high individuality and sex-specificity of acquired lipid signatures. Importantly, the analysis of NIST reference material sets the basis for data harmonization and cross-comparison between different studies and laboratories worldwide.
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Les lipides constituent un groupe de métabolites divers et omniprésents qui jouent un rôle essentiel dans les fonctions cellulaires, notamment dans l'intégrité des membranes, la production et le stockage d'énergie et la signalisation moléculaire. Les progrès récents en matière de technologie de la spectrométrie de masse et de la bio-informatique ont permis une analyse complète des lipides avec plus de sensibilité et de spécificité que jamais auparavant. Par conséquent, la lipidomique - l'analyse qualitative et quantitative des lipides à grande échelle - est devenue un puissant outil de phénotypage au niveau moléculaire, permettant d'étudier le métabolisme des lipides et ses implications pour la santé métabolique. De nombreuses études basées sur les données de la lipidomique en biologie cellulaire, métabolisme et endocrinologie, immunologie et physiologie ont déjà révélé des fonctions régulatrices des lipides jusqu'alors inconnues.
Dans ce projet de thèse de doctorat, j'ai développé une plateforme analytique quantitative à haut débit pour la mesure robuste d'un large panel d'espèces lipidiques circulatoires et j'ai démontré son applicabilité pour l'analyse de milliers d'échantillons dans le cadre d'études de population humaine à grande échelle. Dans un premier temps, j'ai montré que l'ensemble des diverses classes de lipides, des phospholipides aux sphingolipides et aux lipides neutres (c'est-à-dire les glycérolipides et les esters de cholestérol), peut être efficacement extrait par une méthode en une seule étape utilisant l'isopropanol. En raison de sa simplicité et de sa facilité d'automatisation, cette méthode s'est avérée bien adaptée à l'utilisation prévue en lipidomique clinique. Après la mise en œuvre de la préparation automatisée des échantillons, j'ai conçu et développé une approche HILIC innovante, sensible et à haut débit pour la quantification des lipides. Dans sa dernière version étendue, cette approche a permis de mesurer avec une grande précision 790 espèces de lipides circulatoires, couvrant 22 classes distinctes et une gamme de concentrations s'étendant sur six ordres de grandeur. La précision de la quantification et la robustesse ont été obtenues en combinant l'approche de la dilution d’isotopes stables et l'analyse systématique du matériel de référence plasmatique du NIST, en tant que contrôle de qualité externe. Enfin, l'aptitude de la plateforme à être utilisée dans des études à grande échelle a été démontrée au cours de l'analyse de 1092 échantillons (en 13 lots) provenant de participants sélectionnés, considérés en bonne santé, de l'étude prospective de la population lausannoise (CoLaus). Sur la base du contrôle de qualité du NIST, 790 espèces lipidiques ont été mesurées avec un coefficient de variation inférieur à 20 %. La variabilité biologique, y compris la variation intra- et interindividuelle, était significativement plus élevée que la variabilité analytique spécifiée d'un lot à l'autre. L'examen comparatif des différences intra- et interindividuelles et le regroupement non supervisé des échantillons ont révélé une individualité prononcée et des caractéristiques spécifiques au sexe dans les profils lipidiques obtenus. Il est important de noter que l'analyse des matériaux de référence du NIST établit les bases d’une concordance des données et facilite les comparaisons croisées entre différentes études et différents laboratoires utilisant des méthodologies différentes, à l'échelle mondiale.