L'ulcère du pied diabétique (UPD) affecte 15 à 25 % des personnes diabétiques. Le traitement recommandé de la mise en décharge de l'ulcère est peu appliqué, entraînant des délais de guérison excessifs et des coûts élevés pour le système de santé. Peu d'études abordent le sujet des facteurs responsables de la faible adoption des pratiques exemplaires pour le traitement de décharge de l'UPD en soins de première ligne. Les objectifs spécifiques de ce projet de maîtrise sont d'élaborer et de valider deux questionnaires, un dédié aux patients et un dédié aux professionnels de la santé, explorant les facteurs influençant l'adoption des pratiques exemplaires pour le traitement de la mise en décharge de l’UPD en soins de première ligne. En guise de référence à l'élaboration des questionnaires, un guide de développement d'instrument de mesure, inspiré de la théorie du comportement planifié, a été utilisé. L'analyse de deux types de validation a été entreprise, soit l'analyse de la validité de contenu et de la stabilité temporelle. Les résultats ont démontré des scores particulièrement élevés de validité de contenu et des scores de stabilité temporelle satisfaisants pour le questionnaire dédié aux patients. Le questionnaire dédié aux professionnels de la santé a aussi remporté des scores de validité de contenu particulièrement élevés, mais les items ont obtenu des scores de stabilité temporelle faibles. Le niveau de connaissance des participants sur le sujet exploré a eu une influence majeure sur les résultats de stabilité temporelle. Pour la version finale des questionnaires, seulement les items obtenant des scores élevés de validité de contenu et de stabilité temporelle ont été conservés. Cette étude a fait l'objet d'un article de recherche intitulé Development of Survey Tools to Explore Factors Influencing the Adoption of Best Practices for Diabetic Foot Ulcer Offloading et a été soumis à la revue Journal of Wound Ostomy & Continence Nursing. Les réponses obtenues aux items remportant des coefficients de validité forts sont brièvement examinées à la partie discussion. Les résultats de ce projet de maîtrise permettent de souligner la nécessité de recourir à une méthodologie rigoureuse pour l'obtention d'instruments de mesure valides; un élément trop souvent négligé dans les études sur les soins de santé.

L’ostéite du pied diabétique (OPD) est une complication survenant à la suite d’une plaie située sous les malléoles chez un patient diabétique. L’OPD survient à la faveur d’une plaie généralement chronique du pied favorisée par la neuropathie e/ou l’artérite des membres inférieurs fréquemment associées au diabète. Il s’agit bien d’une ostéite et non d’une ostéomyélite car l’origine hématogène de l’OPD n’est pratiquement pas décrite. L’OPD est une affection dont l’incidence augmente régulièrement avec l’évolution du diabète dans le monde. On estime en effet que 15 à 25% des patients diabétiques présenteront à un quelconque moment de leur existence une ulcération du pied qui subira une infection dans 40 à 80% des cas. L’OPD retarde la cicatrisation des plaies qui ont conduit à sa survenue et augmente significativement le risque d’amputation mineure ou majeure. C’est, avec l’artérite des membres inférieurs, l’une des grandes causes d’amputation d’un membre inférieur chez les patients diabétiques. L’OPD est avant tout une infection ostéo-articulaire qui survient sur un terrain particulier. L’altération des défenses immunitaires systémiques et locales, quoique variables d’un sujet diabétique à un autre, réduit les chances de guérison de l’OPD. S’agissant d’une infection ostéo-articulaire chronique le plus souvent staphylococcique survenant sur un terrain fragilisé il a longtemps été estimée que la guérison ne pouvait être espérée sans la suppression du tissu ostéo-articulaire infecté, en pratique sans amputation. L’amputation n’est cependant pas sans conséquence fonctionnelle et » l’épargne ostéo-articulaire » a été prônée ces dernières années sous deux formes : la résection ostéo-articulaire suspendue ou « amputation fonctionnelle » et le traitement purement médical faisant appel principalement aux antibiotiques. Le traitement médical de l’OPD a l’avantage de n’entraîner aucune lésion anatomique du pied. Il a l’inconvénient de faire appel à des molécules antibiotiques réputées efficaces dans le contexte particulier d’infection ostéo-articulaire chronique qui ont pour la plupart des molécules un effet de pression de sélection de la résistance bactérienne élevé et pour la plupart un potentiel toxique majoré par les co-morbidités fréquemment observées chez ces patients. En considérant les règles généralement admises pour le traitement des infections ostéo-articulaires, il apparait que le choix des antibiotiques doit idéalement être fondé sur les données de la culture d'un fragment osseux. Ceci représente cependant une approche nouvelle pour le traitement antibiotique de l'OPD. Nous montrerons dans ce travail les résultats de travaux publiés suggérant que:1) la biopsie osseuse transcutanée est une technique dénué de risque et actuellement la seule technique permettant une documentation fiable de l’OPD et que les prélèvements obtenus par écouvillonnage ou par ponction-aspiration ne peuvent être utilisés en remplacement de la biopsie osseuse (articles 1 et 2)2) les patients traités médicalement pour OPD ont plus de chance de guérir lorsque le traitement est fondé sur les résultats d'une biopsie osseuse (article 3) nque sur ceux de prélèvements superficiels3) la biopsie osseuse transcutanée n'est actuellement pratiquement pas utilisée dans la majorité des centres Français du pied diabétique. Enfin, nous présenterons les projets de 3 études sur le sujet de la biopsie osseuse en cours ou qui seront développées dans les mois à venir. / Diabetic foot osteomyelitis (DFO) is a complication of a foot wound located under malleoli. DFO usually occurs as a consequence of a chronic foot wound and is facilitated by neuropathy and peripheral vascular disease (PVD) which are both frequently associated with diabetes. OPD is rather an osteitis than an osteomyelitis as a hematogenous origin of DFO is almost not reported. DFO is an increasing worldwide problem which is related to the increasing number of patients with diabetes in the world. It is generally admitted that 15 to 25% of all patients with diabetes will experience a foot wound during their lifetime and that 40 to 80% of them will be infected. DFO has a deleterious effect on the wound healing and is associated with an enhanced risk for relapsing infection of the foot. DFO is with PVD a major cause for both minor and major limb amputations in these patients. DFO is first of all a bone and joint infection that occurs in a patient with diabetes. Complications of advanced diabetes mellitus like microvascular abnormalities and phagocytosis defects are likely to reduce the chance of healing. As most DFO are due to Staphylococcus aureus and that most of these patients have comorbidities, it has generally been thought that bone removal was required in order to obtain a complete healing. Minor amputation may however result in biomechanic disorders of the foot and subsequently may lead to new episodes of foot wound thus new DFO episodes. As a consequence, some authors have proposed to perform limited bone resections (i.e. without ray or toe amputation) or to use a medical approach of DFO (i.e. based on antibiotic therapy only). Medical treatment of DFO has the advantage to avoid the development of biomechanic alterations of the foot. However, given the high potential for selecting bacterial resistance of antimicrobial agents like rifampin and fluoroquinolones, it appears that the choice of the antibiotics to use should be best based on the microbiological testing of a bone culture which is consistent with the basic rules widely admitted for the medical treatment of any other bone and joint infections. This represents, nevertheless, a new approach of the treatment medical treatment of DFO. We will present in the present document the results of personal studies that suggest that 1) bone biopsy is a safe procedure and is currently the best method for obtained a reliable microbiological documentation of DFO and, in particular, that both swabs and needle aspiration cannot be used a surrogate tools for determining the pathogens involved in DFO (articles 1 and 2). 2) patients with DFO treated medically have a better chance to heal when the antibiotic therapy is guided by the results of a bone biopsy than when it is guided by superficial sample results (-article 3)3) bone biopsy is not used routinely used in most French diabetic foot centers (article 4). Finally, we will present 3 projects of study that are currently on process or will be developed in the next future.

Staphylococcus aureus est l’un des principaux agents étiologiques des infections suppuratives superficielles et profondes ainsi que des syndromes liés à l’action de toxines. Paradoxalement, cette bactérie est un agent commensal qui est présent sur la peau ainsi que dans les cavités nasales notamment. Cela permet de considérer cette bactérie comme un organisme colonisant commensale. Les bases génétiques expliquant la différence entre une bactérie pathogène et une bactérie commensale reste inconnues. En utilisant la technique Optical Maps sur des souches de S. aureus isolées de plaies de pieds diabétiques avec différents niveau de virulence, nous avons pu montrer l’existence d’un prophage insérés dans le génome des souches colonisantes et absent des souches infectantes. Le phage, nommé ROSA, est localisé dans un hotspot d’insertion de phage NM2. Il est aussi localisé en amont du locus isd qui est requis pour l’assimilation du fer essentiel à la bactérie dans sa phase pathogène. Le phage ROSA inactive la voie isd en dérégulant l’activité du régulateur transcriptionnel majeur Fur en absence de fer. Il réduit aussi la virulence de ces souches sur les 2 modèles de virulence (Le ver C. elegans et le Zebrafish). L’expulsion du phage ROSA restaure la régulation du locus isd par Fur et la production de sidérophores en absence de Fer, la formation du biofilm et la virulence des souches. La mutation du gène Fur nous a permis de déduire que le phage ROSA affectait les bactéries de manière indépendante de Fur. Enfin, nous avons étudié la prévalence des souches colonisantes sur les plaies de pieds diabétiques. Nous avons observé que 20% des souches présentait l’insertion ROSA et 89% appartenait au complexe clonal CC8. Les souches colonisantes, avec leur niveau bas de virulence, devraient faire l’objet de détection dans le but de rationnaliser l’utilisation des antibiotiques et ainsi lutter contre l’apparition de bactéries multirésistantes aux antibiotiques. / Staphylococcus aureus is an opportunistic bacterium capable of causing a wide range of severe diseases when it gains access to underlying tissues. Paradoxically, this causative pathogen is a common inhabitant of the skin microflora and colonizes the nares and other human mucosa, and as such, may be considered as a commensal colonizing organism. The genetic basis for the differences in pathogenic/colonizing potential is unknown. By performing optical maps comparisons of a collection of S. aureus strains of defined virulence potential isolated from diabetic foot ulcers at different stages, we brought to light a prophage present in colonizing-causing bacteria. The phage, namely ROSA, was localized in a hotspot region NM2 near the locus isd, the main iron surface determinant that transport iron across the bacterial wall. It induces a deregulation of the activity of the transcriptional regulator Fur involving the biofilm formation of the bacteria in response to low iron environment. It reduced also significantly the virulence of the strain in two in vivo models (the nematode C. elegans and the zebrafish). The expulsion of the phage restored the regulation of the locus isd, the siderophore production, the biofilm formation and the virulence of the strain. The mutation of the fur gene within the colonizing strain enabled us to determine that the phage ROSA affect the the bacteria in a Fur-independent manner. Finally we determined the prevalence of these colonizing strains in skin and soft tissue infections (diabetic foot ulcers). We observed that 20% (39/195) of the strains harboured this insertion and 89% belonged to the clonal complex CC8. This colonizing strain by its low virulence potential must be detected in the aim to contribute to a sounder use of antibiotic treatment, an important point in front of the increase of multidrug resistant bacteria.

L'objectif de cette thèse est d'analyser l’utilité de la thermographie dans le cadre du diagnostic précoce du pied diabétique. Un protocole d'acquisition robuste des images thermiques est proposé, ainsi qu'un algorithme spécifique de traitement de ces images. Cet algorithme comporte une étape de prétraitement, suivie d'une segmentation et d’un recalage rigide. Différents paramètres sont ensuite évalués : la moyenne et l'écart type de la température de la voute plantaire de chacun des pieds droit et gauche, de même que le pourcentage des pixels pour lesquels la différence de température entre les pieds droit et gauche est supérieure à 2,2°C. Cela permet de mettre en évidence les régions en hyperthermie. Une étude clinique est menée sur une population de 85 personnes diabétiques. Ces patients sont classés sur critères médicaux dans trois groupes : risque faible, moyen ou élevé. Pour le groupe à faible risque, la température des pieds est proche de 32°C. Pour le groupe à risque moyen, elle descend à 31°C et remonte à 32°C pour le groupe risque élevé. Au stade précoce du pied diabétique, c'est-à-dire entre le risque faible et le risque moyen, la température de la surface plantaire diminue de 1°C : si ce résultat est confirmé par d'autres essais cliniques, cette information peut être utile pour le diagnostic précoce du pied diabétique. Enfin, 9 images sur les 85 étudiées révèlent une hyperthermie significative : cette indication d'hyperthermie peut être d'une aide considérable dans la prévention précoce de l'ulcère du pied et pourrait éviter des complications graves chez ces patients. / The object of the thesis is to analyze the potential of thermography in the early diagnosis of type 2 diabetic foot. The main advantages of thermography are that it is simple to use, non-invasive, contactless, non-irradiant, and fast. A robust acquisition protocol is proposed, as well as a dedicated image processing algorithm. The algorithm includes a pre-processing step, plus a segmentation and a rigid registration procedures. Various parameters are assessed: the mean and standard deviation of right and left feet plantar surfaces temperaure, as well as the percentage of pixels such that the absolute point to point temperature difference between right and left feet is greater than 2.2°C. A percentage greater than 1% indicates significative hyperthermia regions. A transversal clinical study is conducted on a population of 85 persons of type 2 diabetic foot. They are classified in one of these three groups: Low risk, Medium risk, and High risk. For the Low risk group, the mean temperature is close to 32°C. For the medium one, it goes down to 31°C, and increases for the High risk group to a value of 32°C. In the early stage of diabetic foot, i.e. from the Low risk group to Medium risk group, the plantar foot surface temperature is lowered by 1°C: if this result is confirmed by other clinical tests, this information can be useful for the early diagnosis of diabetic foot. Finally, 9 images out of the 85 show hyperthermia, mainly in the heel or toes regions. This hyperthermia indication may be of a substantial assistance in the early prevention of foot ulcer and can help in avoiding subsequent foot amputation.

Conception et évaluation d’un modèle biomécanique, éléments finis, patient-spécifique, du pied humainApplications en podologie, orthopédie et diabétologieLe pied est une des structures les plus complexes du corps humain. Avec 28 os, 33 articulations et une centaine de structures ligamentaires, cette entité poly articulée est le résultat d’une hyperspécialisation ayant contribué à faire de l’homme l’unique primate totalement bipède. Quelque soit le relief, quelque soit le mouvement en cours, le pied transmet au tibia le bon vecteur force afin de finaliser le geste de la manière la plus précise et économe en énergie possible dans l’objectif de préparer l’action des segments sus jacents. Ainsi, en cas de lésion d’une des structures, l’ensemble du complexe pied doit pouvoir s’adapter, si ce n’est pas le cas, les tissus mous, les articulations ou les os seront fragilisés et verront leur fonction propre au sein de ce complexe altérée.Prédire l’adaptation du pied à une modification structurelle, tissulaire, neurologique ou fonctionnelle est un enjeu important dans l’estimation du risque lésionnel.Afin d’initier une réponse à ces problématiques, nous avons décidé au cours de cette thèse de modéliser le pied humain avec des outils mathématiques de simulation biomécanique. Dans un premier temps, un modèle tridimensionnel musculo-squelettique du pied a été reconstruit à partir d’imagerie scanner. Le pied polyarticulé en multicorps rigides obtenu possède des articulations uniquement contraintes par les ligaments et contacts osseux. Les muscles ont été implémentés afin de piloter le modèle en dynamique directe. Enfin, les tissus mous comme les volumes musculaires, le gras et la peau ont été maillés en éléments finis. L’utilisation d’un environnement de programmation multi-physique open source (Artisynth) a permis de coupler la modélisation musculo-squelettique et éléments finis.• L’adaptation du pied au sol en orthostatisme a été évaluée par comparaison des cartographies de pression d’une mise en charge simulée avec la mise en charge réelle du sujet.• Le contrôle moteur du pied en chaine ouverte par l’activation des muscles extrinsèques a été évalué en comparant la cinématique du modèle biomécanique pilotée par électromyographie avec la cinématique capturée en laboratoire sur un mouvement d’abduction – adduction.• Nous avons ensuite cherché à comprendre comment une arthrodèse de cheville modifie la cinématique du pied à la contraction musculaire, l’objectif étant d’aider au réglage chirurgical du geste.• Enfin nous avons utilisé les dernières avancées sur la physiologie de la plaie de pression afin de prédire le risque d’ulcération sur un pied neuroarthropatique diabétique par simulation numérique.Le modèle ainsi que les routines de simulations mis en place nous permettent d’avoir un des modèles les plus aboutis du pied humain utilisant aussi bien des données physiques externes comme les données baropodométriques, les données d’analyse quantifiée du mouvement ou encore les données électromyographiques. Ce modèle permettra par l’intermédiaire d’outils de mesh-matching d’obtenir des modèles patients spécifiques. Les domaines d’applications porteront sur l’aide au geste chirurgical, la prévention des risques d’ulcération, l’analyse avancée des relations entre le pied et le membre inférieur, mais aussi l’aide à la conception de prothèse en orthopédie classique et en mécatronique. / Biomechanical modeling of the human foot. Application to the healthy and pathological subject.The foot is one of the more complex structures of the human body. With 28 bones, 33 joints and a hundred ligamentous structures, this articulated entity is the result of a hyper specialization that makes humans the only obligate bipedal primates. Whatever the terrain, whatever the current movement, the foot transmits to the tibia the right force vector to finalize the gesture in the most precise and efficient manner and prepares the action of the lower limb. Thus, in case of injury to one of the structures, the whole foot complex must adapt if it is not the case, soft tissues, joints or bones are fragile and will have their own function within this complex altered .Predicting the foot’s adaptation of a structural, tissue, neurological or functional modification is an important issue in estimating the risk lesion on locomotion, in the design of therapeutic footwear and orthotics of the degenerative foot, but also in the future of this complex in situations where the boundary conditions change like working in microgravity or foot exoskeleton coupling.To initiate a response to these problems, we decided during this thesis to model the human foot with mathematical tools for biomechanical simulation. Initially, a musculoskeletal three-dimensional model of the foot was reconstructed from computed tomography. The multi-articulated foot joints constraints obtained by ligaments and bone contact. The muscles have been implemented to control the model in direct dynamic. Finally, the soft tissues such as muscle volume, fat and skin were meshed into finite elements. Using a multi-physics open source programming environment (Artisynth) allowed to couple musculoskeletal modeling and finite elements.• Adapting the foot on the ground in upright posture was evaluated by comparing the pressure maps at a simulated load setting with the actual loading pressure map of the subject.• The motor control of foot in opened chain by activation of the extrinsic muscles was assessed by comparing the kinematics of the biomechanical model piloted by electromyography with kinematics captured in the laboratory on a movement of abduction - adduction.• We then sought to understand how an ankle arthrodesis alter the kinematics of the foot muscle contraction, with the aim of helping the surgical setting gesture.• Finally, we used the latest advances in the physiology of a pressure ulcer to predict the risk of ulceration on diabetic foot with Charcot neuro arthropathy by numerical simulation.The model and simulation routines in place allow us to have one of the most successful models of the human foot using both external physical data like pedobarographic data, motion analysis data or electromyography data. This model will allow through mesh-matching tool to obtain specific patient models. The fields of applications will focus on assisted surgery, prevention of ulceration, advanced analysis of relations between the foot and the leg, but also will help the prosthesis design in orthopedic and mechatronics.

La dysbiose est une cause importante dans la survenue de maladies, favorisant la prolifération de pathogènes ou induisant l’inflammation. L’étude de ce phénomène est devenue possible grâce aux approches d’analyse génomique (AG) associé avec d’autres techniques. L’entérocolite nécrosante (ECN) et l’infection du pied diabétique (IPD) demeurent deux maladies associées à la dysbiose dans lesquels différents bactéries ont été décrites, notamment C. butyricum dans l’ECN, E. coli et S. aureus dans l’IPD. Dans le cadre de l’ECN, C. butyricum demeure l’espèce la plus fréquente chez les ECN. L’identification clusters liés géographiquement et en fonction du temps. Le portage asymptomatique est suggéré par une similarité génomique des souches patients et contrôles. La prédiction d’un gène de β-hémolysine ainsi leur effet cytotoxique sur les cellules Jurkat avait été observé. De même, sur les cellules Caco-2 malgré le KO du gène de β-hémolysine. En se basant sur l’analyse physico-chimique du surnageant bactérien, nous avons suggéré que la fraction cytotoxique est protéique. La purification de la fraction cytotoxique a permis de trouver une protéine codant pour PspC family possédant un domain conservé commun avec celui de la toxine A/B. L’inactivation du gène codant pour cette protéine n’a pas supprimé l’effet cytotoxique, suggérant la présence d’une combinaison gènes. En parallèle, nous avons ciblé l’impact de C. neonatale par qRPC spécifique rpoB. Cette espèce était plus fréquente chez les patients, ainsi de clones géographiques ont été identifiées. Enfin, des SNPs ont été observés dans des gènes de virulence dans le cas des E. coli et S. aureus isolés de l’IPD. / Dysbiosis remains a main cause during the establishment of several diseases, by promoting bacterial translocation, leading to inflammation process. Specific microorganisms were involved in the pathogenesis of dysbiosis-associated diseases, notably necrotizing enterocolitis (NEC) and diabetic foot (DF). This was possible by the implication of whole-genome analysis (WGA) in association with other techniques. In case of NEC, C. butyricum was significantly associated with in NEC; tested on a South-East French cohort. Geographical and/or temporal clusters were identified, thus genomic relationship between NEC-associated isolates and controls, suggesting the presence of asymptomatic carriage. Genes encoding for β-hemolysin was detected and C. butyricum supernatant exhibited cytotoxic effect on Jurkat cells. Cytotoxic effect was also presented on Caco-2 cells. Supernatant of β-hemolysin-mutant C. butyricum showed enterotoxic effect. Basing on physico-chemical data, we assumed that the evaluated fraction was a protein. Proteomics analysis revealed that PspC family was the cytotoxic protein. This protein owned a glucan-binding domain, shared by C. difficile toxin A/B. The KO of PspC gene was enterotoxic, suggesting by this the existence of a combination of genes. In parallel, a specific rpoB-based qPCR was developed to identify C. neonatale. We found that, C. neonatale was more prevalent in NEC than in controls. Although co-identified in association with C. butyricum. C. neonatale clones were distinguished especially in strains isolated from the same hospital. Regarding to DF infection, SNPs were identified within S. aureus and E. coli genomes, especially in virulent genes.