Untargeted metabolomics profiling of skeletal muscle samples from malignant hyperthermia susceptible patients

Abstract

Purpose Malignant hyperthermia (MH) is a potentially fatal hypermetabolic condition triggered by certain anesthetics and caused by defective calcium homeostasis in skeletal muscle cells. Recent evidence has revealed impairment of various biochemical pathways in MH-susceptible patients in the absence of anesthetics. We hypothesized that clinical differences between MH-susceptible and control individuals are reflected in measurable differences in myoplasmic metabolites. Methods We performed metabolomic profiling of skeletal muscle samples from MH-negative (control) individuals and MH-susceptible patients undergoing muscle biopsy for diagnosis of MH susceptibility. Cellular metabolites were extracted from 33 fresh and 87 frozen human muscle samples using solid phase microextraction and Metabolon ® untargeted biochemical profiling platforms, respectively. Ultra-performance liquid chromatography-high resolution mass spectrometry was used for metabolite identification and validation, followed by analysis of differences in metabolites between the MH-susceptible and MH-negative groups. Results Significant fold-change differences between the MH-susceptible and control groups in metabolites from various pathways were found ( P value range: 0.009 to < 0.001). These included accumulation of long chain acylcarnitines, diacylglycerols, phosphoenolpyruvate, histidine pathway metabolites, lysophosphatidylcholine, oxidative stress markers, and phosphoinositols, as well as decreased levels of monoacylglycerols. The results from both analytical platforms were in agreement. Conclusion This metabolomics study indicates a shift from utilization of carbohydrates towards lipids for energy production in MH-susceptible individuals. This shift may result in inefficiency of beta-oxidation, and increased muscle protein turnover, oxidative stress, and/or lysophosphatidylcholine levels. Objectif\xa0 L’hyperthermie maligne (HM) est une condition hypermétabolique potentiellement mortelle déclenchée par certains agents anesthésiques et causée par une homéostasie calcique perturbée des cellules musculaires squelettiques. Des données probantes récentes ont mis en lumière une atteinte de diverses voies biochimiques chez les patients susceptibles à l’HM en l’absence d’anesthésiques. Nous avons émis l’hypothèse que les différences cliniques entre les individus susceptibles à l’HM et des témoins se refléteraient dans des différences mesurables de métabolites myoplasmiques. Méthode\xa0 Nous avons réalisé un profilage métabolomique d’échantillons de muscles squelettiques provenant de personnes négatives à l’HM (témoins) et de patients susceptibles à l’HM subissant une biopsie musculaire dans le but de poser un diagnostic de susceptibilité à l’HM. Les métabolites cellulaires ont été extraits de 33 échantillons de muscles humains frais et de 87 échantillons congelés à l’aide d’une microextraction en phase solide et des plateformes de profilage biochimique non ciblées Metabolon ® , respectivement. La chromatographie en phase liquide à haute performance et la spectrométrie de masse à haute résolution ont été utilisées pour l’identification et la validation des métabolites, puis suivies d’une analyse des différences dans les métabolites entre les groupes susceptibles à l’HM et les groupes négatifs à l’HM. Résultats\xa0 Des différences significatives ont été observées entre les groupes susceptibles à l’HM et les groupes témoins dans les métabolites issus de diverses voies ( P : de 0,009 à < 0,001). Ces différences comprenaient l’accumulation d’acylcarnitines à longue chaîne, de diacylglycérols, de phosphoénolpyruvate, de métabolites de la voie d’histidine, de lysophosphatidylcholine, de marqueurs de stress oxydatif, et de phosphoinositols, aussi bien que des taux réduits de monoacylglycérols. Les résultats des deux plateformes analytiques concordaient. Conclusion\xa0 Cette étude métabolomique indique un changement de l’utilisation des glucides vers les lipides pour la production d’énergie chez les personnes susceptibles à l’HM. Ce changement pourrait entraîner une inefficacité de la bêta-oxydation, ainsi qu’une augmentation du renouvellement des protéines musculaires, du stress oxydatif, et/ou des taux de lysophosphatidylcholine.