NMR metabolomic of frontal cortex extracts: First study comparing two neurodegenerative diseases, Alzheimer disease and amyotrophic lateral sclerosis

ObjectiveThis study was designed to assess the brain metabolites’ variability between two neurodegenerative diseases in frontal cortex samples obtained post-mortem. NMR metabolomics was used for the first time in this context.Materials and methods1H NMR metabolomic was applied to tissue extracts from patients with Alzheimer disease (ALZ) and patients with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) to investigate qualitative and quantitative variations of brain metabolites.ResultsThe Alzheimer disease metabolic signature was characterized by a high concentration of alanine, acetate, glutamate and glutamine, and low concentrations of lactate and creatine, while the ALS metabolic signature appears to be marked by high concentrations of lactate, N-acetyl aspartate, creatine, choline and myo-inositol. Moreover, in vitro1H NMR could detect metabolites such as 3-hydroxybutyrate, alanine, succinate and aspartate that cannot be detected with in vivo NMR.DiscussionThe neurodegenerative diseases exhibit diverging metabolic pathways. Some of the metabolites responsible for the discrimination between the two diseases were detected before in vivo. However, this in vitro metabolomic investigation demonstrates the involvement of metabolites not detected with in vivo studies.ConclusionUpon these findings, in vitro metabolomics appears to be an efficient tool to investigate the fundamentals of the metabolic pathway modulations in these neurodegenerative diseases to help the interpretation of clinical data obtained with in vivo NMR spectroscopy.

RésuméObjectifCette étude a été conçue pour évaluer la variabilité des métabolites du cerveau de deux maladies neurodégénératives dans des échantillons de cortex frontal obtenus post-mortem. La métabolomique par résonance magnétique nucléaire (RMN) est utilisée pour la première fois dans ce contexte.Patients et méthodesL’analyse métabolomique par RMN du proton a été appliquée à des extraits de cortex frontal de patients atteints de la maladie d’Alzheimer (ALZ) ou de sclérose latérale amyotrophique (SLA). Les variations qualitatives et quantitatives des métabolites ont été déterminées grâce à des analyses statistiques multivariées.RésultatsLa signature métabolique de la maladie d’Alzheimer est caractérisée par des concentrations élevées d’alanine, acétate, glutamate et glutamine et de faibles concentrations de lactate et de créatine. La signature métabolique de la SLA semble être marquée par de fortes concentrations de lactate, N-acétyl aspartate, créatine, choline et myo-inositol. En outre, in vitro, la RMN du proton a pu détecter des métabolites tels que le 3-hydroxybutyrate, l’alanine, le succinate et l’aspartate qui ne peuvent pas être détectés par RMN in vivo.DiscussionLes deux maladies neurodégénératives présentent des voies métaboliques divergentes. Certains des métabolites responsables de la discrimination des deux pathologies sont aussi détectés in vivo. Ces analyses in vitro par métabolomique démontrent l’implication de métabolites non détectés dans des études in vivo.ConclusionCes résultats montrent que la métabolomique appliquée in vitro est un outil efficace pour explorer les modulations des voies métaboliques dans ces maladies neurodégénératives pour aider à l’interprétation de données cliniques obtenues par spectroscopie RMN in vivo.