Modélisation de la propagation de COVID-19 dans les établissements scolaires afin de maintenir l'apprentissage en personne en toute sécurité

Modelling COVID-19 spread in educational settings for safe in-person learning

• Auteur / Autrice : Elisabetta Colosi
• Direction : Vittoria Colizza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomathématiques
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Pierre Louis de santé publique : épidémiologie et sciences de l'information biomédicale (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pierre Louis d'épidémiologie et de santé publique (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Mircea Sofonea
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessia Melegaro, Jasmina Panovska-Griffiths

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Maladies infectieuses

Modèles mathématiques

Épidémiologie

SARS-CoV-2 (virus)

Mots clés libres

SRAS-CoV-2

Transmission en milieu scolaire

Stratégies de dépistage

Réseaux de contacts

Modèle à base d'agents

SARS-CoV-2

School transmission

Testing strategies

Contact networks

Agent-Based model

Résumé

Lorsque le COVID-19 est apparu comme une pandémie mondiale en mars 2020, les établissements scolaires ont été parmi les premiers lieux à être fermés pour freiner la transmission du SRAS-CoV-2. Cependant, le choix de fermer les écoles pendant une période relativement longue a été très controversé et largement débattu, notamment en raison des effets néfastes sur le bien-être des élèves et le développement de l'apprentissage. C'est pourquoi les gouvernements du monde entier ont progressivement réintroduit les activités en personne dans les écoles, en mettant en œuvre diverses mesures de contrôle pour gérer les cas positifs. Les approches adoptées par les différents pays ont varié, certains adoptant des stratégies réactives en réponse aux cas confirmés, tandis que d'autres ont mis en œuvre des mesures plus proactives au fur et à mesure que la pandémie progressait. Les établissements scolaires sont restées des environnements vulnérables, en particulier en l'absence de vaccination des jeunes élèves et en raison de l'émergence des variants plus contagieux tels que Delta et Omicron. Dans cette thèse, j'ai estimé la transmissibilité du SRAS-CoV-2 dans les établissements scolaires pour différents variants et j'ai évalué une série de stratégies de test et de dépistage afin de fournir des options sûres pour maintenir les écoles ouvertes tout en minimisant les suspensions de l'enseignement. Pour atteindre cet objectif, j'ai développé un modèle basé sur des agents afin de simuler la propagation du SRAS-CoV-2 par le biais d'interactions en face à face entre les élèves et les enseignants d'une école primaire et secondaire en France dans différents contextes épidémiques. J'ai adapté le modèle aux données de prévalence des élèves recueillies lors de campagnes de dépistage pilotes et expérimentales menées lors de phases pandémiques spécifiques, depuis l'émergence de variant Alpha en 2021 jusqu'à le variant Omicron au début de 2022 en France. J'ai ainsi estimé le nombre de reproducteurs effectifs dans les deux établissements scolaires et la contribution de la transmission en milieu scolaire à la propagation chez les enfants. J'ai ensuite évalué l'efficacité de différents protocoles d'intervention pour limiter l'importation et la transmission ultérieure, réduire l'absentéisme scolaire et optimiser les ressources de dépistage par le biais d'une analyse coût-bénéfice. Les résultats de cette thèse mettent en lumière le rôle des contacts scolaires en tant que source potentielle de renouvellement de la transmission pendant la pandémie de COVID-19, en montrant que la transmission dans les établissements scolaires a représenté une contribution considérable. D'après nos résultats, un dépistage régulier avec une adhésion suffisante peut réduire le nombre de cas et d'absences même dans des conditions d'incidence élevée, comme cela a été le cas lors de la vague Omicron au début de 2022. L'efficacité supérieure du dépistage hebdomadaire par rapport aux stratégies réactives est également confirmée par notre analyse rétrospective d'une expérience en conditions réelles dans un certain nombre d'écoles primaires françaises pendant les vagues Delta et Omicron entre la fin de 2021 et le début de 2022. Bien que le COVID-19 ne représente plus une urgence mondiale, il continuera à circuler avec d'autres virus respiratoires saisonniers (grippe, virus respiratoire syncytial, etc.) chez les enfants pendant l'hiver. Le cadre de modélisation développé dans cette thèse est adapté à l'étude de la transmission des virus respiratoires dans des environnements densément peuplés tels que les écoles, à la quantification de leur portée et à l'évaluation de l'impact d'éventuelles mesures de mitigation.

When COVID-19 emerged as a global pandemic in March 2020, schools were among the first settings to be closed to curb the transmission of SARS-CoV-2. However, the choice of closing school for a relatively long time was quite controversial and largely debated, especially for the harmful effects on students’ well-being and learning development. Therefore, governments worldwide gradually reintroduced in-person activities in schools, implementing various control measures to manage positive cases. The approaches taken by different countries varied, with some adopting reactive strategies in response to confirmed cases, while others implemented more proactive measures as the pandemic progressed. Schools remained vulnerable environments, especially in the absence of vaccination for younger students and the emergence of more contagious variants such as Delta and Omicron. In this thesis, I estimated the transmissibility of SARS-CoV-2 within schools for different variants and evaluated a range of testing and screening strategies to provide safe options for keeping schools open while minimizing educational disruption. To achieve this aim, I developed an agent-based model to simulate SARS-CoV-2 spread through face-to-face interactions among students and teachers in a primary and secondary school in France under different epidemic contexts. I fitted the model to the student prevalence data gathered from pilot and experimental screening campaigns conducted in specific pandemic phases, from the emergence of the Alpha variant in 2021 to the Omicron variant in early 2022 in France. I thus estimated the effective reproductive number in both schools and the contribution of school-based transmission to the overall spread in children. I then assessed the effectiveness of different intervention protocols in limiting importation and onward transmission, reducing school absence, and optimizing testing resources through a cost-benefit analysis. The results contained in this dissertation shed light on the role of school contacts as a potential source of renewed transmission during the COVID-19 pandemic, showing that transmission in schools represented a considerable contribution. According to our results, regular screening with large enough adherence can reduce cases and absences even under high-incidence conditions, as experienced during the Omicron wave of early 2022. The higher effectiveness achieved by weekly screening compared to reactive strategies is also confirmed by our retrospective analysis of a real-world experiment in a selected number of French primary schools during the Delta and Omicron waves between the end of 2021 and the beginning of 2022. Although COVID-19 no longer represents a global emergency, it will continue to circulate with other seasonal respiratory viruses (i.e., influenza, Respiratory Syncytial Virus, etc.) in children during the winter. The modelling framework developed in this thesis is well-suited for studying the transmission of respiratory viruses in densely populated settings, such as schools, quantifying the extent, and evaluating the impact of potential mitigation measures in the future.