Mechanical effects of botulinum toxin treatment on isolated muscle: Assesment of theoretical paralyzation patterns via finite element modeling

Abstract

Çalışmanın ana hedefi spastisite gibi hastalıkların tedavisinde kullanılan Botulinum toksinin kas üzerindeki mekanik etkilerini ana bir belirleyici olduğunu düşündü- ğümüz miyobağdokusal kuvvet iletimi ışığında incelenmesidir. Bunun için sonlu elemanlar yöntemi ile oluşturulmuş izole EDL kası modeli kullanılmıştır. Paralizasyon konumunun etkilerinin incelenmesi için üç durum oluşturulmuştur: proksimal yarı paralize, orta yarı paralize ve distal yarı paralize. Bu durumların uzunluk-kuvvet ilişkileri ve gerilim ve gerinim dağılımları Botulinum toksin uygulanmamış kas modeli ile karşılaştırılmıştır. Optimum boylarda her üç durum için de % 50 civarında kuvvet düşüşü bulunurken, kısa boylarda durumlar arası fark % 15 civarına çıkabilmektedir. Spastik kasların kısa boylarda aktivite göstermesi bu sonucu önemli kılmaktadır. Uzunluk-kuvvet ilişkisinin ortaya çıkardığı bir diğer önemli sonuç ise toxin uygulanan durumlarda aktif kuvvet aralığının % 23'lere kadar düşebildiğidir. Gerinim dağılımlarının ortaya çıkardığı önemli bir sonuç ise toksinden etkilenmeyen bölgelerin, toksin uygulanmamış durumdaki eşlerine göre daha az kısalmalalarıdır. Bu etkiye toksinden etkilenmiş bölgeler ve mekanik olarak işlevsel bölgeler arası etkileşimin neden olduğu aşikardır. Bu tür bir etkileşimse intramüsküler miyobağdokusal kuvvet iletiminin göstergesidir.

The specific goal of the present study was to take an initial step in explaining the effects of Botulinum toxin treatment used for muscle pathologies such as spasticity on muscle mechanics via myofascial force transmission, which we believe is a major determinant. For this purpose an isolated EDL muscle model generated using the finite element method was used. In order to determine the effect of paralyzation location three cases were studied: Proximal half passive, middle half passive and distal half passive. Strain and stress distributions and length-force relationships of these cases were compared. Length-force relationship showed about 50 % force drop at optimum length for all three cases whereas at low lengths, distal half paralyzed case showed up to 15% more force reduction than other two cases. This result may be significant for spastic muscles since they are reported to operate at low muscle lengths. Also range of active force exertion decreased up to 23 %. A significant result obtained from strain distributions is that the mechanically operational parts, i.e. parts that are not affected by Botulinum toxin showed less shortening compared to their counterparts in the non-paralyzed muscle. It is evident that this effect arises from the interaction between mechanically operational and paralyzed muscle portions. Such effect is a clear indication of intramuscular myofascial force transmission pathways.