A Multi-Scale Epidemic Model of Salmonella Infection With Heterogeneous Shedding

Simon Labarthe (1, 2) , Béatrice Laroche (1, 2, 3) , Thi Nhu Tao Nguyen (4) , Bastien Polizzi (5) , Florian Patout (6) , Magali Ribot (7) , Tabea Stegmaier (8)

1 MaIAGE - Mathématiques et Informatique Appliquées du Génome à l'Environnement [Jouy-En-Josas]
2 Université Paris-Saclay
3 MUSCA - Dynamiques de populations multi-échelles pour des systèmes physiologiques
4 LMB - Laboratoire de Mathématiques de Besançon (UMR 6623)
5 MMCS - Modélisation mathématique, calcul scientifique
6 UMPA-ENSL - Unité de Mathématiques Pures et Appliquées
7 IDP - Institut Denis Poisson
8 UHH - Universität Hamburg

Salmonella strains colonize the digestive tract of farm livestock, such as chickens or pigs, without affecting them, and potentially infect food products, representing a threat for human health ranging from food poisoning to typhoid fever. It has been shown that the ability to excrete the pathogen in the environment and contaminate other animals is variable. This heterogeneity in pathogen carriage and shedding results from interactions between the host's immune response, the pathogen and the commensal intestinal microbiota. In this paper we propose a novel generic multiscale modeling framework of heterogeneous pathogen transmission in an animal population. At the intra-host level, the model describes the interaction between the commensal microbiota, the pathogen and the inflammatory response. Random fluctuations in the ecological dynamics of the individual microbiota and transmission at between-host scale are added to obtain a drift-diffusion PDE model of the pathogen distribution at the population level. The model is further extended to represent transmission between several populations. The asymptotic behavior as well as the impact of control strategies including cleaning and antimicrobial administration are investigated through numerical simulation. Résumé. Les salmonelles colonisent le tube digestif des animaux d'élevage, comme les poulets ou les porcs, sans les affecter, et peuvent infecter les productions alimentaires. Elles constituent une menace pour la santé humaine allant de l'intoxication alimentaireà la fièvre typhoïde. Il aété démontré que la capacitéà excréter le pathogène dans l'environnement et contaminer d'autres animaux est variable. Cette hétérogénéité dans le portage et l'excrétion du pathogène résulte des interactions entre la réponse immunitaire de l'hôte, le pathogène et le microbiote intestinal commensal. Dans cet article, nous proposons un nouveau cadre générique de modélisation multi-échelle de la transmission hétérogène d'un pathogène dans une population animale. Au niveau intra-hôte, le modèle décrit l'interaction entre le microbiote commensal, le pathogène et la réponse inflammatoire. L'ajout de fluctuations aléatoires dans la dynamiqueécologique du microbiote des individus et d'une transmissionà l'échelle inter-individuelle permet d'obtenir un modèle EDP de transport-diffusion de la distribution des pathogènesà l'échelle de la population. Le modèle est encoreétendu pour représenter la transmission entre plusieurs populations. Le comportement asymptotique ainsi que l'impact des stratégies de contrôle,comprenant la désinfection de l'environnement et l'administration d'antimicrobiens, sontétudiés par simulation numérique.

Domaines: Mathématiques [math]; Equations aux dérivées partielles [math.AP]

Simon Labarthe, Béatrice Laroche, Thi Nhu Tao Nguyen, Bastien Polizzi, Florian Patout, et al.. A Multi-Scale Epidemic Model of Salmonella Infection With Heterogeneous Shedding. ESAIM: Proceedings and Surveys, 2020, 67, pp.261-284. ⟨10.1051/proc/202067015⟩. ⟨hal-02043742v2⟩