Assessment of effects of Botulinum Toxin on muscle mechanics

Abstract

Yaygın olarak kullanılan Botulinum Toksin tedavisinin kas mekani§i üzerindekietkileri oldukça önemlidir fakat bu etkilerin mekanizması ve süreci bilinmemektedir. Butez, sonlu elemanlar analizi ve hayvan deneyleri kullanarak BTX tedavisinin mekaniketkileri üzerine odaklanmıştır. Izole kas modelinde kısmi paralizasyonun (i) tüm kasboyunca daha uzun boy de§erleri almasına (ör. kısa boyda orta kısmı paralize edilmi³kasın inaktif kısmı ile BTX olmayan kas modelinin aynı kısımları sırasıyla 29-27% ve32-29% oranında kısalmışlardır.), (ii) aktif kuvvet üretimi potansiyelinde artışa (BTXdurumlarında 14.5%'a kadar), (iii) kas etkime boyunda kısalamaya neden oldu§u gösterilmi³tir. Bu etkilerin temelinde miyoba§dokusal kuvvet iletimi oldu§u gösterilmi³tir.Ek olarak, deneysel sonuçlarda epimüsküler MFT'de azalma ve intramüsküler kolajen miktarında artış gözlenmiştir. Kaslar arasındaki bu etkileşim kaybı ve kolajenmiktarındaki artış sonucu ECM sertle³mesi nedeni ile tedavi sırasında kasta olu³acakdeğişimler ele alınmıştır. BTX tedavisinin zaman içerisindeki etkilerinin modellenmesi sarkomerlerin ECM sertli§indeki artış ile daha uzun boy değerleri aldığını veuzun boyda bu etkinin tersine döndü§ünü göstermi³tir. Dolayısıyla aktif sarkomerlerinkuvvet üretim potansiyeli artışı ve kas etkime aralığındaki daralma bulguları istikrarlıolarak bulunmu³tur (akut, uzun dönem ve BTX sonrası durumlarında sırasıyla 20.3%,27.1% ve 3.4%). Sertlik artışının tedavi sonrasında kalıcı olması durumunda kuvvetüretme potansiyelindeki artış da kalıcı olacaktır. Mekanik ve morfolojik etkilerin do§ruyönetilmemesinin tedaviyi olumsuz yönde etkileyece§i sonucuna ulaşılmıştır.

Effects of widely used Botulinum toxin (BTX) treatment on muscular mechanics are highly important, but their mechanism and time course are not well understood. Present thesis is focused on mechanical mechanism of BTX treatment using finite element method and animal experiments. In an isolated muscle model partial paralyzation is shown to cause (i) the sarcomeres to attain higher lengths throughout the entire muscle (e.g., at short muscle length, the inactivated fascicles of middle half paralyzed muscle and the same parts within BTX-free muscle shortened by 29-27% and 32-29%, respectively), (ii) enhanced potential of active force production of the non-paralyzed muscle parts (up to 14.5% for BTX cases), and (iii) decreased muscle length range of force exertion. It is shown that intramuscular myofascial force transmission is central to these effects. Additionally, experimental results showed diminished epimuscular MFT and intramuscular collagen increase. Due to information on the loss of interactions between muscles and increased ECM stiffness due to increased collagen, temporal changes within the muscle during treatment is examined. Modeling of time course of the BTX treatment showed that sarcomeres attain even higher lengths with increased ECM stiffness and is reversed at longer muscle lengths. Consequently, force production capacity of activated sarcomeres gets further enhanced in the long-term and a narrower length range of force exertion (20.3%, 27.1% and 3.4%, acute, long-term and post BTX treatment, respectively) is a consistent finding. If such stiffness increase were shown to remain post-treatment, enhanced capacity would become permanent for the entire muscle. It is concluded that mechanical effects and morphological changes shown can affect muscular mechanics adversely if not managed accordingly.