Le diagnostic et la prise en charge des infections ostéo-articulaires (IOA) sont souvent complexes occasionnant une perte osseuse irréversible. La variabilité intra et inter-patient en terme de présentation clinique rend impossible le recours à une description systématique ou à une analyse statistique pour le diagnostic et l'étude de cette pathologie. Le développement d'IOA résulte d'interactions complexes entre les mécanismes cellulaires et moléculaires du tissu osseux et les bactéries. L'objectif de cette thèse est de modéliser l'IOA afin de simuler le comportement du système suite à des interactions au niveau cellulaire et moléculaire en utilisant l'approche de modélisation à base d'agents. Nous avons utilisé une méthode basée sur l'analyse bibliographique pour extraire les caractéristiques du modèle et les utiliser pour deux aspects. Le premier consiste en l'élaboration de la structure du modèle en identifiant les agents et les interactions, et le deuxième concerne l'estimation quantitative des différents paramètres du modèle. La réponse du système BJI aux différentes tailles d’inoculum bactérien a été simulée par la variation de différents paramètres. L'évolution des agents simulés a ensuite été analysée en utilisant une modélisant par des systèmes dynamiques non linéaires et une méthodologie "Datadriven", grâce auxquelles nous avons décrit le système d'IOA et identifié des relations plausibles entre les agents. Le modèle a réussi à présenter la dynamique des bactéries, des cellules immunitaires innées et des cellules osseuses au cours de la première étape de l'IOA et pour différentes tailles d'inoculum bactérien. La simulation a mis en évidence les conséquences sur le tissu osseux résultant du processus de remodelage osseux au cours de l'IOA. Ces résultats peuvent être considérés comme une base pour une analyse plus approfondie et pour la proposition de différentes hypothèses et scénarios de simulation qui pourraient être étudiés dans ce laboratoire virtuel. / Bone and joint infections are one of the most challenging bone pathologies that associated with irreversible bone loss and long costly treatment. The high intra and inter patient's variability in terms of clinical presentation makes it impossible to rely on the systematic description or classical statistical analysis for its diagnosis or studying. The development of BJI encompasses a complex interplay between the cellular and molecular mechanisms of the host bone tissue and the infecting bacteria. The objective of this thesis is to provide a novel computational modeling framework that simulates the behavior resulting from the interactions on the cellular and molecular levels to explore the BJI dynamics qualitatively and comprehensively, using an agent-based modeling approach. We relied on a meta-analysis-like method to extract the quantitative and qualitative data from the literature and used it for two aspects. First, elaborating the structure of the model by identifying the agents and the interactions, and second estimating quantitatively the different parameters of the model. The BJI system’s response to different microbial inoculum sizes was simulated with respect to the variation of several critical parameters. The simulation output data was then analyzed using a data-driven methodology and system dynamics approach, through which we summarized the BJI complex system and identified plausible relationships between the agents using differential equations. The BJI model succeeded in imitating the dynamics of bacteria, the innate immune cells, and the bone cells during the first stage of BJI and for different inoculum size in a compatible way. The simulation displayed the damage in bone tissue as a result of the variation in bone remodeling process during BJI. These findings can be considered as a foundation for further analysis and for the proposition of different hypotheses and simulation scenarios that could be investigated through this BJI model as a virtual lab.

Le traitement d'une infection ostéo-articulaire nécessite une prise en charge longue, obligeant à des chirurgies itératives et à un traitement antibiotique systémique prolongé. À ce jour, le polyméthacrylate de méthyle est le vecteur d’antibiotique local le plus fréquemment utilisé chez l’homme pour traiter une infection ostéo-articulaire. Cependant les PMMA sont non résorbables et obligent à multiplier les interventions chirurgicales afin d’aboutir au traitement définitif de l’infection ostéo-articulaire. Le PMMA ne permet pas une libération complète de l’antibiotique avec de surcroît des doses inférieures à la CMI du germe en cause, pouvant faciliter l’émergence de bactéries résistantes. L'objectif de notre travail était d’obtenir une libération locale efficace et prolongée d’antibiotique grâce à un polymère entièrement résorbable. Le cahier des charges établi pour l’élaboration de ce polymère était le suivant : système matriciel offrant une libération de gentamicine à une dose de 1 à 2 mg/jour/g de mélange sur une période de plus de 10 jours. De plus, le polymère devait être bio-résorbable, c’est-à-dire qu’il devait pouvoir être dégradé jusqu'à obtenir des fragments pouvant être éliminés naturellement par l'organisme. Afin de répondre à ces exigences, il a été créé le PLA50P, Poly(D,L-acide lactique) de haut poids moléculaire. Afin d’obtenir le mélange gentamycine-PLA, une technique de compression des poudres des deux composants a été mise en œuvre. Ce polymère pouvait être stérilisé par -irradiation, sans influence sur les caractéristiques de relargage du polymère.La cinétique in vitro de la gentamicine relarguée par le PLA50GS montrait un pic maximum de gentamicine libérée obtenu à 12 jours et une stabilisation ensuite jusqu’à 63 jours de la quantité relarguée. La quantité cumulée de gentamicine relarguée à 3 semaines in vitro est de 54 % de la quantité contenue initialement dans PLA50GS. In vivo, nous observions une libération in situ de 5,1 µg/mL de gentamicine à J3, de 1,9 µg/mL de gentamicine à J7 et de 0 µg/mL à 5 semaines avec disparition de PLA50GS à l’examen macroscopique. Nous avons ainsi pu mettre en évidence, in vitro et in vivo, un relargage de la gentamicine à des doses supérieures à la CMI du germe et ce pendant plus de trois semaines.Afin de confirmer ces observations, nous avons ensuite mis au point un modèle d’infection périostée chez le rat. Pour ce faire nous avons utilisé des rats âgés de 10 à 12 semaines avec une injection au contact de l’os et au 1/3 moyen de la patte arrière de deux fois 100 ml de SAMS d’origine animale. L’utilisation du PLA50GS a montré sa supériorité par rapport à une administration parentérale d’une dose équivalente de Gentamicine avec une négativation du contage bactériologique chez tous les rats traités par le polymère chargé à la Gentamicine. Nous avons ensuite voulu traiter une infection articulaire grâce à notre polymère. Nous avons donc créé un modèle animal utilisant un lapin femelle de 4 kg avec une injection de 1 ml d’une solution à 103 CFU/ml de staphylococcus méthi-sensible d’origine léporidée. Le PLA50GS nous a permis de réduire très significativement la charge bactérienne intra-articulaire (baisse de 3 à 4 log10 soit 1000 à 10000 fois moins de bactéries) alors que le traitement antibiotique par voie générale dit de référence ne nous a pas permis de réduire l’infection intra-articulaire de façon significative par rapport au groupe non traité. Le PLA50GS nous a ainsi permis de réduire l’infection de 3 log10 par rapport aux autres groupes avec 2 lapins sur 6 guéris de leur infection.Le PLA50GS présente, ainsi, les caractéristiques suivantes : (i) stabilité de la Gentamicine au sein du polymère, (ii) polymère sous forme de poudre stable, (iii) relargage prolongé de la Gentamicine pendant plusieurs semaines, (iv) effet « burst » présent mais limité, (v) très bonne biotolérance, et (vi) efficacité supérieure aux traitements antimicrobiens classiques. / The treatment of soft-tissue infections, osteomyelitis, and acute or chronic septic arthritis is a lengthy process that involves repeated surgical procedures and the systemic administration of antibiotics for at least 6 weeks to 3 months. Poor diffusion of antibiotics into bones and joints requires high doses given parenterally for long periods. At present, the antibiotic vector most widely used in humans with bone or joint infections is polymethylmethacrylate. Because PMMA is not bioabsorbable, multiple surgical procedures are required to eradicate infection. Furthermore, PMMA does not release its full antibiotic load over time and may yield local antibiotic concentrations lower than the minimal inhibitory concentration of the causative organism, thereby promoting the emergence of resistant strains. The objective of our work was to develop a fully bioabsorbable polymer capable of ensuring the prolonged and efficient release of its antibiotic load, thus improving the management of bone and joint infections. The specifications for the polymer included the release by the matrix system of 1-2 mg of gentamicin per day and per gram of mixture over more than 10 days. Other specifications were appropriate physical characteristics, a drug release rate sufficient to ensure optimal treatment safety, and ease of implantation. The polymer was also to be bioabsorbable, i.e., subject to degradation into fragments capable of being eliminated naturally by the body. High-molecular weight PLA50P, Poly(D,L-lactic acid) was created and found to meet these specifications. Use of this polymer as large particles (0.5 to 1 mm) limited the initial burst phenomenon. A gentamicin-PLA50P mixture was obtained by compression of the two components prepared in powder form. The antibiotic load was set at 20% to limit the initial burst. The polymer can be sterilized by gamma irradiation, which has no effect on drug release characteristics.In vitro kinetic studies of gentamicin release by the polymer showed a peak on day 12 followed by a plateau that lasted until day 63. After 3 weeks, the cumulative amount of gentamicin released in vitro was 54% of the total amount loaded onto the polymer. In vivo gentamicin concentrations measured in situ were 5.1 µg/mL on day 3, 1.9 µg/mL on day 7, and 0 µg/mL on day 35, when the polymer was no longer visible to the naked eye. Thus, both in vivo and in vitro, gentamicin was released in concentrations greater than the MIC of the microorganism, for longer than 3 weeks.To test the gentamicin-loaded polymer, we created a rat model of periosteal infection. Rats aged 10-12 weeks received two 100 mL injections of methicillin-susceptible Staphylococcus aureus collected from animals, into the middle third of the hind leg, in contact with the bone. Treatment with gentamicin-loaded PLA50P proved superior over parenteral administration of an equivalent gentamicin dose, consistently reverting the bacteriological cultures to negative. We then created a rabbit model of septic arthritis. A doe weighing 4 kg received an add intraarticular injection of 1 mL of a solution containing 103 cfu/mL of a methicillin-sensitive S. aureus strain collected from another rabbit. Gentamicin-loaded PLA50P treatment induced a highly significant drop in the intraarticular bacterial load (by 3-4 log10), whereas standard systemic gentamicin therapy failed to significantly diminish bacterial counts comparatively to the untreated controls. Thus, gentamicin-loaded PLA50P diminished the bacterial load by 3 log10 comparatively to the other groups and allowed eradication of the infection in 2 of the 6 rabbits.In sum, gentamicin-loaded PLA50P (i) ensures the stability of the antibiotic; (ii) is available as a stable powder; (iii) ensures the prolonged release of gentamicin over several weeks; (iv) produces a limited burst effect; (v) exhibits very good biotolerance; (vi) and is more effective than standard antimicrobial therapy.