Mathematical modelling of the dynamics of antibiotic resistant bacteria : application to S. pneumoniae
Modélisation mathématique de la dynamique de diffusion de bactéries résistantes aux antibiotiques : application au pneumocoque
Résumé
The thesis aims at building mathematical models to study the dynamics of pneumococcal strains transmission in the community. The phenomenon of emergence and diffusion of resistant bacteria in populations involve microbial, individual and population scales simultaneously. That makes them complex and difficult to anticipate. In that context, modelling, which allows formalisation and simulation of the different scales, can help in analysing, predicting and understanding better the spread of bacteria. Three main issues are raised. What would be the impact of antibiotic exposure changes on resistances distributions? What would be the effects induced by the pneumococcal conjugate vaccine on the distribution of strains? Do viral respiratory infections and antibiotic consumption play a role in pneumococcal meningitis infections? Four compartmental models are developed to answer these questions. The results of our simulations reinforce the idea that antibiotic exposure is a major factor in the selection of antibiotic resistant bacteria. More precisely, they show that the choices of prescribed drugs and doses at the individual level could have a strong impact on the distributions of resistances in the community. Moreover, our results suggest that respiratory viruses, antibiotic consumption and resistance associated-fitness could explain part of the dynamics of pneumococcal meningitis in the community.
L'objectif de cette thèse est de développer des outils de modélisation mathématique afin d'étudier la dynamique de transmission des souches de pneumocoque dans la communauté. La dynamique d'émergence et de diffusion de bactéries résistantes dans la population est difficile à anticiper : les phénomènes se produisent à différentes échelles (bactérie, hôte et population) et les bactéries circulent dans des environnements humains complexes (nombreux antibiotiques et vaccins). Dans ce cadre, la formalisation mathématique et la simulation peuvent contribuer à mieux comprendre et anticiper les phénomènes en jeu. Trois questions principales sont posées dans ce travail. Elles portent sur : l'effet d'une modification de l'exposition antibiotique sur la distribution des résistances du pneumocoque ; les conséquences de l'usage de vaccins conjugués sur les distributions de souches ; et l'étude de la dynamique d'incidence des méningites à pneumocoque. Pour y répondre, 4 modèles mathématiques compartimentaux spécifiques sont construits. Les résultats des simulations renforcent l'idée que l'exposition antibiotique est un facteur environnemental majeur pour la sélection des pneumocoques résistants aux antibiotiques. En particulier, ils mettent en évidence l'importance du choix des molécules antibiotiques utilisées et des doses prescrites sur la distribution des résistances dans la population. Ils suggèrent de plus que les virus hivernaux, la consommation antibiotique et l'épidémicité différenciée en fonction de la résistance pourraient expliquer en partie la dynamique des méningites à pneumocoque dans la population.