İskelet kaslarında titin ile aktif filamanlar etkileşiminin modellenmesi ve biyomekanik analizi
Modeling and biomechanical analysis of the interaction between titin and active filaments in skeletal muscles
Yazar: FARUK ÖRTEŞ
Danışman: PROF. DR. YUNUS ZİYA ARSLAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kas-iskelet = Muscle-skeletal ; Titin = Titin

Özet:
İskelet kasları hareketin gerçekleştirilmesinde gerekli olan eklem momentlerinin üretimi ve diğer birçok fonksiyonun yerine getirilmesinde rol oynarlar. Kas yapısındaki kuvvet üretimi kayan filamanlar teorisi ile açıklanmıştır. Kasların farklı koşullarda gösterdikleri dinamik davranışların ve deneysel olarak gözlemlenen bir takım kas özelliklerinin simüle edilmeleri amacıyla matematiksel kas modelleri kullanılmaktadır. Huxley tipi modeller aktin-miyozin etkileşimini referans alan ve çapraz köprü teorisine dayanan matematiksel bir yaklaşımdır. İskelet kaslarının geçmiş bağımlı özelliklerinden olan ve aktif eksantrik uzama sonrası ortaya çıkan kalıntı kuvvet artışları kayan filamanlar ve çapraz-köprü teorileri ile açıklanamamaktadır. Kalıntı kuvvet artışlarının potansiyel sebeplerinden biri olarak gösterilen ve sarkomer yapısındaki ana filamanlardan olan titinin kasın hem pasif hem de aktif davranışında etkili olduğu gözlemlenmiştir. Ancak literatürde titin ve aktif eleman etkileşimini modelleyen çalışmalar oldukça kısıtlıdır. Bu çalışmada klasik çapraz-köprü modelleri ve bunlara entegre titinin etkileşiminin modellenmesi amaçlanmıştır. Bunu gerçekleştirmek için iki-durumlu ve üç durumlu çapraz köprü modelleri geliştirilmiş ve bir sarım filaman titin modeli ile entegre edilerek kalıntı kuvvet artışlarının simülasyonlarındaki performansları değerlendirilmiştir. Model çıktıları dikkate alındığında titin entegre edilmiş üç-durumlu çapraz-köprü modelinin hem büyüklük hem de örüntü bakımından deneysel sonuçlara daha yakın kuvvet cevapları ürettiği görülmüştür.

Abstract:
Skeletal muscles play a role in the generation of required joint moments for movement as well as the implementation of many other functions. Force production in the muscle structure is accounted for employing the sliding filament theory. Mathematical muscle models are used to simulate a bunch of muscle properties observed experimentally and their dynamic behaviors. Huxley type muscle models represent a mathematical approach based on cross-bridge theory and actin-myosin interaction. Residual force enhancement, which is one of the history-dependent properties of skeletal muscles and appears following active stretch, cannot be explained by the cross-bridge and sliding filament theories. Titin, which is accepted as a potential cause of residual force enhancement, is effective in both the passive and active behaviors of muscles. However, there are a very limited amount of studies including the models of titin and active filaments. Therefore, it was aimed to model the interaction of the classical cross-bridge model and the integrated titin model. In order to perform this task, two-state and three-state cross-bridge models were developed and integrated to a winding filament titin model, and their performances in the simulations of residual force enhancement were evaluated. Considering the models outputs, it was observed that titin integrated three-state model produced more consistent results with the experimental measurements than the ones obtained from the two-state model in terms of both force patterns and magnitudes.