Le genre Staphylococcus, première étiologie des infections ostéo-articulaires (IOA), est associé à des formes particulièrement difficiles à traiter. Trois mécanismes phénotypiques ont été rattachés à ce fort taux de chronicité et de rechutes, permettant l'adaptation bactérienne à la vie au sein du tissu osseux et un échappement au système immunitaire de l'hôte et à l'action des antibiotiques : la formation de biofilm, la persistance des staphylocoques dans les ostéoblastes, et l'évolution vers le morphotype de small colony variant (SCV). Longtemps considéré comme simple commensal cutanéo-muqueux, S. epidermidis est désormais reconnu comme un agent étiologique majeur des IOA sur matériel. Or, si le portage est universel, l'infection est un phénomène rare. A ce jour, aucun facteur génotypique n'a pu être associé au pouvoir invasif de certaines souches de portage. Notre travail a permis de montrer l'absence de pouvoir discriminant des capacités d'internalisation des ostéoblastes et de formation de biofilm entre souches commensales et invasives. Par ailleurs, un très faible taux d'internalisation de S. epidermidis dans les ostéoblastes a été mis en évidence, suggérant une importance moindre de ce mécanisme dans la physiopathologie des IOA à S. epidermidis par rapport aux IOA à S. aureus. Les principales études ayant porté sur les capacités d'interaction de S. aureus avec les ostéoblastes et de formation de biofilm ont cherché à en explorer les mécanismes à partir de souches de laboratoire ou de souches représentatives de quelques clones de S. aureus résistants à la méticilline (SARM). Dans notre cas, nous avons souhaité étudier une large collection de souches cliniques de S. aureus (n=95) sensible à la méticilline (SASM) responsables d'IOA aiguës ou chroniques. La caractérisation des fonds génétiques de cette collection, puis en élargissant notre étude à des collections de différents villes françaises, a d'abord permis de décrire une forte prévalence du clone émergent de SASM CC398 dans les IOA en France / Pas de résumé en anglais

L’objectif de ces travaux de thèse a été de contribuer à la compréhension de la physiopathologie des infections sur matériel ostéo-articulaire (IMOA) à C. acnes. Dans un premier temps, nous avons typé par MLST 108 isolats de C. acnes responsables de 34 cas d’IMOAs monomicrobiennes et corrélé les résultats de typage aux données clinico-biologiques. Nous avons ainsi montré que les IMOAs à C. acnes correspondent à 2 entités cliniques : i) les cas « homotypiques » qui sont des vraies infections dues à un clone de C. acnes responsable d’une réponse inflammatoire de l’hôte ii) les cas hétérotypiques qui sont une colonisation ou contamination itérative du matériel ostéo-articulaire en l’absence de réponse inflammatoire de l’hôte. Ces données de typage ont souligné les limites de la définition microbiologique actuelle d’une IMOA quand il s’agit de C. acnes et la nécessité d’intégrer un outil moléculaire fiable dans le diagnostic microbiologique de routine de ces infections. Nous avons par conséquent évalué la technique SLST développée pour un typage rapide et optimal de C. acnes en routine. Le pouvoir discriminant de cette technique était insuffisant suggérant que seule la mise en place du NGS en temps réel dans les laboratoires de microbiologie pourrait répondre au besoin de typage moléculaire pour améliorer le diagnostic microbiologique de ces infections.Nos résultats de typage ont montré que la clonalité de l’infection plutôt que le complexe clonal (CC) est le principal facteur déterminant du processus physiopathologique et inflammatoire de l’IMOA à C. acnes. Cette conclusion est concordante avec les résultats que nous avons obtenus dans un modèle in vitro d’infection de macrophages THP-1 par C. acnes. Grâce à ce modèle, nous avons pu montrer que la réponse inflammatoire in vitro de nos isolats est souche –et non CC– dépendante. De plus, les réponses inflammatoires in vitro et in vivo n’étaient pas corrélées. Ceci souligne les limites des modèles in vitro dans l’étude de la physiopathologie des IMOAs à C. acnes dans lesquels l’adaptation de la bactérie à l’hôte est complètement négligée lors de l’étude de la réponse immune. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons confirmé l’importance de l’environnement dans le conditionnement du comportement de la bactérie. Nous avons mené une étude comparative des caractéristiques culturales ex vivo et ex vitro de nos isolats de C. acnes. Nous avons montré l’impact du CC et des conditions environnementales, par extension la pression que peut exercer l’hôte, sur le profil cultural de C. acnes. En conclusion, nos travaux montrent qu’une approche multifactorielle, intégrant à la fois la génomique et la réponse de l’hôte, est nécessaire pour comprendre la physiopathologie des IMOAs à C. acnes. / The aim of this thesis was to contribute to the understanding of the physiopathology of C. acnes orthopedic-device related infections (ODRI). Firstly, we typed by MLST 108 C. acnes isolates responsible for 34 cases of monomicrobial ODRIs and correlated typing results with bio-clinical data. We have shown that C. acnes ODRIs correspond to two clinical entities: i) "homotypic" cases corresponding to true infections with a single pathogenic clone of C. acnes eliciting an inflammatory response ii) heterotypic cases corresponding to colonization or iterative contamination of the implant without systemic inflammatory response. These typing data highlighted the limitations of the current microbiological definition of ODRI when it comes to C. acnes and the need to incorporate a reliable molecular tool into the routine microbiological diagnosis of these infections. We therefore evaluated the SLST technique developed for a rapid and optimal typing of C. acnes. The discriminating power of this technique was insufficient suggesting that only the establishment of real-time NGS in microbiology laboratories could improve the microbiological diagnosis. Our typing results showed that the clonal status of the infection and not CC is the main determining factor in the physiopathological and inflammatory process of C. acnes ODRI. This conclusion is consistent with our results obtained on an in vitro model of a macrophage THP-1 infection. Using this model, we have shown that the in vitro inflammatory response of our isolates is strain- and non-CC-dependent. In addition, the in vitro and in vivo inflammatory responses were not correlated. This underscores the limitations of in vitro models in the study of C. acnes ODRIs in which the adaptation of the bacteria to the host is completely neglected during the study of the immune response. Finally, we confirmed the importance of the environment in the conditioning of the behavior of the bacterium. We conducted a comparative study of the ex vivo and ex vitro growth characteristics of our C.acnes isolates. We have shown the impact of CC and environmental conditions, by extension the pressure that can exert the host, on the cultural profile of C. acnes. In conclusion, our work shows that a multifactorial approach, integrating both genomics and host response, is needed to understand the physiopathology of C. acnes ODRI.

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 rachis cervical est une structure anatomique complexe et compacte du corps humain. Il se compose, anatomiquement, de sept vertèbres, de disques intervertébraux et de systèmes ligamentaires et musculaires. Cette structure assure plusieurs fonctions biomécaniques: il supporte le poids de la tête et maintient sa posture stable; il permet une mobilité importante de la tête; il contient et protège la moelle épinière du système nerveux central. Ce sujet est destiné à l'amélioration de la compréhension du fonctionnement du rachis cervical in-vivo. L'objectif à terme est le diagnostic et la classification des pathologies du cou. Cette étude explicite une méthodologie de modélisation du mouvement intersegmentaire continu de flexion/extension du rachis cervical basée sur des données expérimentales in-vivo. Un protocole expérimental est proposé en utilisant simultanément deux techniques: les images radiographiques et les marqueurs externes du mouvement, ce qui permet l'acquisition couplée des données géométriques et cinématiques. Puis, deux modèles mécaniques du rachis cervical, modèle ostéo-articulaire et modèle musculo-squelettique, sont développés en se basant sur les hypothèses de modélisation. Ces hypothèses sont justifiées et les réponses des modèles sont confrontés avec les données expérimentales in-vivo ainsi la littérature. Les résultats des études permettent la détermination non seulement des paramètres cinématiques, cinétiques associés au mouvement continu de flexion/extension, mais aussi des comportements mécaniques des segments et des composantes du rachis cervical pendant ce mouvement in-vivo.

Dans le cadre d'une étude transversale menée sur 202 patientes ménopausées et non ménopausées,les objectifs sont de démontrer l'existence d'un lien entre ménopause et altération de l'état de santé buccodentaire. D'évaluer l'action du THM sur la morbidité dentaire et «in fine» sur la mortalité dentaire.De préciser les liens entre santé bucco-dentaire et diverses pathologies générales et d'apprécier les liens entre psychisme et soma chez les femmes ménopausées. D'apprécier l'influence des biphosphonates sur l'état de santé parodontal.De placer l'étude des liens état bucco-dentaire- ménopause dans une optique sociétale et anthropologique.La ménopause a pour conséquence une altération du parodonte (p=0,003).Le THM a une action bénéfique sur le parodonte.L'effet biologique du diabète est drastique quant à la perte des organes dentaires (p=0,050).L'étude souligne l'influence «per se» d'un mauvais état bucco-dentaire pour la pathologie coronarienne (OR=1,214). De plus,évènements stressants,sècheresse buccale,pathologies ostéo articulaires,carence hormonale sont des facteurs diversement liés de la mortalité dentaire durant cette période. Par ailleurs, il est apparu que les femmes ayant été récemment traitées pour un cancer du sein développaient plus de caries dentaires (p=0,031 OR=2,161). L'étude met en évidence les effets des biphosphonates sur l'altération du parodonte (p=0,011) malgré la prise d'un THM (p=0,020).Un milieu socioculturel aisé contribueraient à la médicalisation du phénomène physiologique.Le fait de vivre seule influerait sur la perte des organes dentaires (p=0,035). Enfin,la pratique régulière d'un sport améliorerait l'état de santé orale (p=0,036). / In a cross-sectional study of 202 postmenopausal and premenopausal women,the objectives of this study are to demonstrate a link between menopause and altered state of oral health.To evaluate the action of HRT on dental disease and finally on the tooth mortality. To assess and clarify the relationship between oral health and various general diseases and links between psyche and soma in postmenopausal women.Also discussed was the influence of bisphosphonates on the state of periodontal health.Finally,it was decided to place the study links oral menopausal status in a social and anthropological perspective.It appears then that menopause results in an altered state of oral health,(p = 0.003).HRT has a beneficial effect on the periodontal disease.The biological effects of diabetes are related to dental mortality (p = 0.050). This study emphasize the influence "per se" a bad oral health status for coronary artery disease (OR = 1.214).In postmenopausal women, stressful events, dry mouth, joint and bone diseases, hormonal deficiency are factors variously related dental mortality during this period. Moreover, it was found that women who have recently been treated for breast cancer developed more dental caries (p = 0.031 OR = 2.161).The study related the effects of bisphosphonates on the alteration of periodontal (p = 0.011), despite taking HRT (p = 0.020).In addition,background socio-economic favored contribute to the medicalization of physiological phenomenon. The fact of living alone would affect the loss of dental organs (p = 0.035). Finally, the regular practice of a sport improve the state of oral health (p = 0.036).