Diagnostic médical à partir de l’air expiré, recherche de traces de vie dans l’espace ou détection de contaminants dans les aliments : les sciences séparatives trouvent aujourd’hui des applications dans des domaines extrêmement variés. Lors d’une session organisée par le Club Jeune de l’AFSEP à Forum LABO, trois jeunes chercheurs ont présenté leurs travaux et montré comment les nouvelles approches analytiques peuvent répondre à des enjeux très concrets de santé, d’exploration spatiale et de sécurité alimentaire.

Et si un simple souffle permettait demain de mieux diagnostiquer une maladie ou de prédire l’efficacité d’un traitement ?

À l’Université de Liège, les travaux présentés par Thibault Massé s’intéressent à l’analyse de l’air expiré, une matrice particulièrement prometteuse car totalement non invasive. Plus de 1 000 composés y ont déjà été détectés et identifiés. Ces molécules volatiles et semi-volatiles sont notamment issues des différents processus métaboliques de notre organisme et peuvent donc fournir des informations sur son état.

L’objectif est de rechercher dans cette véritable « empreinte métabolique » des biomarqueurs associés à certaines pathologies. Mais analyser l’air expiré reste complexe : le prélèvement doit être standardisé, les contaminations extérieures maîtrisées et les différences physiologiques entre patients prises en compte.

Pour obtenir une caractérisation plus fine de cette matrice, les chercheurs utilisent notamment la chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle couplée à la spectrométrie de masse (GC×GC-MS). L'ajout d'une seconde dimension de séparation permet de distinguer des composés qui pourraient se superposer avec une chromatographie classique.

Cette approche a notamment été appliquée à l’asthme, une maladie inflammatoire chronique qui concerne plus de 300 millions de personnes dans le monde.

L’un des enjeux est de mieux caractériser les différents profils de patients afin de leur proposer les traitements les plus adaptés. Les travaux présentés ont montré qu’une signature de composés volatils dans l’air expiré pouvait contribuer à différencier plusieurs types d’asthme.

Les chercheurs sont également allés plus loin en étudiant la possibilité de prédire la réponse de patients atteints d’asthme sévère à certaines biothérapies. Des signatures volatolomiques ont permis de distinguer des patients répondeurs et non-répondeurs au traitement dans deux cohortes indépendantes étudiées en Belgique et au Royaume-Uni.

Parmi les molécules identifiées, plusieurs aldéhydes présentent un intérêt particulier en raison de leur lien potentiel avec des mécanismes de stress oxydatif. À terme, réduire une signature biologique complexe à quelques molécules pourrait ouvrir la voie à des outils beaucoup plus simples, comme des capteurs dédiés utilisables dans un environnement clinique.

La perspective est séduisante : passer d’une analyse complexe réalisée en laboratoire à un outil capable d’aider le médecin à orienter plus rapidement le diagnostic ou le traitement.

Changement radical d’environnement avec les travaux présentés par Gabin Bergerot, doctorant à l’Université de Rouen Normandie : cette fois, le laboratoire doit pouvoir voyager dans l’espace.

Envoyer un instrument analytique sur Mars ou sur une autre planète impose des contraintes considérables de masse, de volume et de consommation énergétique. Les chromatographes traditionnels doivent donc être profondément miniaturisés.

Une piste repose sur les technologies MEMS, issues du micro-usinage du silicium. Elles permettent de fabriquer des microcolonnes chromatographiques de seulement quelques centimètres, intégrant notamment leur propre système de chauffage. L’objectif est de conserver de bonnes performances analytiques tout en réduisant considérablement l’encombrement de l’instrument.

Au-delà de la miniaturisation, ces travaux répondent à une question fascinante : comment rechercher des traces potentielles de vie ailleurs que sur Terre ?

L’une des pistes concerne la chiralité. Certaines molécules existent sous deux formes dites énantiomères, comparables à deux mains en miroir. Or, la chimie du vivant terrestre présente une forte préférence pour certaines de ces formes : la majorité des acides aminés biologiques sont ainsi présents sous leur configuration L.

Détecter un excès d’un énantiomère par rapport à l’autre dans un environnement extraterrestre pourrait donc constituer un indice intéressant, même s’il ne suffirait évidemment pas, à lui seul, à prouver l’existence d’une vie.

Les chercheurs développent pour cela des microcolonnes chirales capables de séparer ces molécules. Les premiers résultats présentés montrent une sélectivité sur différentes familles chimiques ainsi que sur plusieurs acides aminés. À terme, ces technologies pourraient contribuer au développement de chromatographes toujours plus compacts et performants pour les futures missions d’exploration spatiale.

Retour sur Terre avec une troisième application : la sécurité alimentaire.

Les produits biocides sont largement utilisés tout au long de la chaîne alimentaire pour désinfecter les équipements, protéger les installations ou lutter contre les organismes nuisibles. Leur utilisation est indispensable à la maîtrise du risque microbiologique, mais elle peut aussi entraîner la présence de résidus chimiques dans les aliments, notamment lorsque les procédures de nettoyage ou de rinçage ne sont pas correctement maîtrisées.

Les travaux présentés par Gaëlle Touchet, de l’Anses, cherchent donc à identifier les substances actives biocides prioritaires et à évaluer leur présence dans des denrées d’origine animale.

Une méthode basée sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution (LC-HRMS) a notamment été développée pour rechercher ces substances dans des matrices comme le lait de vache ou le muscle de poulet.

L’intérêt de la spectrométrie de masse haute résolution réside également dans la diversité des stratégies qu’elle permet.

Une approche ciblée recherche des substances déjà connues à partir d’étalons analytiques et permet une identification particulièrement robuste. Une approche semi-ciblée peut ensuite réinterroger les données acquises afin de rechercher d’autres contaminants à partir de bases de données. Enfin, une approche non ciblée compare les empreintes chimiques des échantillons pour faire émerger des composés qui n’avaient pas nécessairement été recherchés au départ.

Ces trois stratégies sont donc complémentaires : l’une confirme ce que l’on cherche, tandis que les autres permettent progressivement d’élargir le champ d’investigation.

Les analyses menées sur des échantillons commerciaux ont ainsi permis de détecter plusieurs résidus de biocides dans le poulet et le lait. Pour les substances disposant de limites maximales de résidus, les concentrations mesurées restaient sous les seuils réglementaires dans les échantillons concernés.

Ces trois projets peuvent sembler très éloignés les uns des autres. Pourtant, ils partagent une même dynamique : faire évoluer les techniques séparatives pour répondre à de nouveaux besoins.

Dans le domaine médical, l’objectif est de transformer l’air expiré en source d’information clinique. Pour l’exploration spatiale, il faut miniaturiser des instruments de laboratoire sans perdre leur capacité de séparation. En sécurité alimentaire, il s’agit au contraire d’élargir le spectre de recherche pour détecter des contaminants connus, émergents ou parfois inattendus.

La chromatographie et la spectrométrie de masse ne sont donc plus seulement des outils permettant d’identifier et de quantifier des molécules. Leur évolution ouvre la voie à de nouvelles manières de diagnostiquer, d’explorer et de surveiller notre environnement.

Et derrière ces innovations se trouve aussi l’un des objectifs de cette session : mettre en lumière une nouvelle génération de scientifiques appelée à devenir, demain, les experts de ces technologies.

Article réalisé à partir de la session « Sciences séparatives pour la recherche de demain », organisée par le Club Jeune de l’AFSEP lors de Forum LABO.