Modélisation de l'évolution et de la propagation de la résistance aux antimicrobiens

Modeling the evolution and the spread of antimicrobial resistance

• Auteur / Autrice : Loïc Marrec
• Direction : Raphaël Voituriez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/06/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Perrin (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Annick Lesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bahram Houchmandzadeh, Florence Débarre, Anne-Florence Bitbol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Achaz, Luis-Miguel Chevin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique statistique

Biophysique

Processus stochastiques

Réponse immunitaire

Relations hôte-bactérie

Maladies bactériennes

Agents anti-infectieux

Mots clés libres

Résistance aux antimicrobiens

Modélisation biophysique

Processus stochastiques

Physique statistique hors d'équilibre

Génétique des populations

Evolution théorique

Antimicrobial resistance

Biophysical modeling

Stochastic processes

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux impacts de la variabilité environnementale et de la structure de la population sur l’évolution de la résistance aux antimicrobiens dans une population microbienne, ainsi que sur sa propagation dans une population hôte. Plus spécifiquement, nous abordons ces questions en développant des modèles théoriques stochastiques et en utilisant des méthodes inspirées de la physique statistique hors d’équilibre. Nous traitons de l’émergence de la résistance aux antimicrobiens dans des populations microbiennes de taille fixe et de taille variable qui subissent des traitements antimicrobiens périodiques. Nous étudions ensuite le sauvetage évolutif par des mutants d’une population microbienne destinée à l’extinction dans un environnement qui se dégrade progressivement, par exemple en présence d’une concentration d’antimicrobien qui augmente. Nous abordons l’impact de la structure de la population sur l’évolution en introduisant un nouveau modèle qui généralise les modèles existants, lequel nous permettra à l’avenir d’étudier l’évolution de la résistance aux antimicrobiens dans des populations microbiennes subdivisées. Enfin, nous examinons la propagation de la résistance aux antimicrobiens dans une population d’hôtes, en intégrant les effets de structure induits par l’immunité.

In this thesis, we are interested in the impacts of environmental variability and population structure on the evolution of resistance in a microbial population, as well as its spread in a host population. More specifically, we address these issues by developing stochastic theoretical models and using methods inspired by out-of-equilibrium statistical physics. We deal with the emergence of antimicrobial resistance in microbial populations of fixed and variable size undergoing periodic antimicrobial treatments. We then investigate the evolutionary rescue by mutants of a microbial population destined for extinction in a gradually deteriorating environment, e.g. in the presence of an increasing antimicrobial concentration. We address the impact of the population structure on evolution by introducing a new model that generalizes existing models, which will allow us in the future to study the evolution of antimicrobial resistance in subdivided microbial populations. Finally, we look at the spread of antimicrobial resistance in a population of hosts, incorporating population structure effects specifically induced by immunity.