พยาธิสรีรวิทยาของระบบหายใจ Respiratory System

1. พยาธิสรีรวิทยาของระบบหายใจพยาธิสรีรวิทยาของระบบหายใจ Respiratory System รศ. อรนุช วุตติวิโรจน์ คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม

2. วัตถุประสงค์ หลังจบบทเรียนนี้นิสิตสามารถ • อธิบายโครงสร้างและการทำงานปกติของระบบหายใจได้ • ระบุสาเหตุและอาการของการติดเชื้อในทางเดินระบบหายใจส่วนบนได้ • จำแนกสาเหตุและกลไกการเกิด pneumonia ได้ • บอกความแตกต่างของ bacterial และ viralpneumonia ได้ • อธิบาย pathogenesis และพยาธิสภาพของโรควัณโรคปอดได้ • บอกความแตกต่างของพยาธิสภาพและอาการทางคลินิกของ chronic bronchitis และ emphysema ได้ • อธิบาย Pathogenesis และพยาธิสภาพ ของ bronchial asthma ได้ • อธิบาย pathogenesis ของ acute respiratory distress syndrome

3. Course Outline สรีรวิทยาของระบบหายใจ ความผิดปกติของระบบหายใจ Obstructive and Restrictive Defects Obstructive Disorders Restrictive Disorder Pulmonary Infection

4. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ ระบบหายใจทำหน้าที่รักษาสมดุลของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดแดงโดยนำออกซิเจนเข้าสู่เลือดและควบคุมภาวะกรด-ด่างของร่างกายโดยควบคุมระดับของคาร์บอนไดออกไซด์ในกระแสเลือดโดยการหายใจและการแลกเปลี่ยนก๊าซ

5. 1. สรีรวิทยาของระบบทางเดินหายใจ โครงสร้างระบบหายใจ แบ่งเป็น 2 ส่วน • The Upper Respiratory Tract - Nose - Pharynx - Larynx - Trachea • The Lower Respiratory Tract - Bronchi - Bronchioi - Alveoli

6. Anatomy of the respiratory tract. Histology of respiratory epithelium. With the exception of the pharynx, epiglottis and vocal cords, the respiratory tract is lined by specialised epithelium compring ciliated columnar epithelia cells with admixed mucus-secreting goblet cells and scattered neuroendocrine cells.

7. Figure 14.2 Structure and nomenclature of the lower respiratory tract.

8. 1. สรีรวิทยาของระบบทางเดินหายใจ การหายใจ (Respiratory) แบ่งเป็น • External Respiration O2g Lung g Blood g Tissues • Internal Respiration Intracellular metabolism

9. 1. สรีรวิทยาของการหายใจ กลไกการหายใจ (Mechanism of Breathing) • การหายใจเข้า (inspiration) เป็น active process โดยการทำงานของกล้ามเนื้อและการขยายตัวของถุงลม • การหายใจออก (Expiration) เป็น passive process

10. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ ภาวะที่ทำให้เกิดการหายใจปกติ • Conducting airways • Thoracic musculoskeletal system • Neurochemical regulator control • Normal lung tissue ภาวะที่ทำให้การหายใจไม่พอเพียง เช่น • Asthma • Bronchitis • Emphysema etc

11. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas Exchange) • โดยวิธีการแพร่ (diffusion) • เกิดที่ alveolar wall (septa) ของ alveoli Gas Exchange ขึ้นอยู่กับ • การหายใจ • การแพร่ของก๊าซ (gas diffusion) • การไหลเวียนของเลือดในปอด (blood perfusion) Gas Exchange เป็นสัดส่วนตรงกับ • Surface area of diffusion • ความแตกต่างของ partial pressure ของก๊าซ ทั้งสองด้านของเมมเบรน

12. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ fig 13-1Microscopic structure of the alveolar wall. Note that the basement membrane (yellow) is thin on one side and widened where it is continuous with the interstitial space. Portions of interstitial cells are shown.

13. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ ปริมาตรของปอด (Lung Volumes)

14. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ

15. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ ปริมาตรของปอด (Lung Volumes)

16. 1. สรีรวิทยาของระบบหายใจ การควบคุมการหายใจ (Regulation of Respiration) • ควบคุมอัตรา (rate)และจังหวะ (rhythm) โดยกลไก 3 อย่าง : 1.Neural Control - Respiratory center in medulla, pons and brain stem - Phrenic nerve and intercostal nerve - Stimulate by impulse from cerebral cortex and Pco2, H+ of blood and CSF 2. Chemical Control - Chemoreceptors sensitive to Po2 , Pco2 and pH of blood - Peripheral chemoreceptors, aortic bodies and carotid bodies - Central chemoreceptors (medulla) sensitive to Pco2 and H+ Co2 + H2O D H2CO2 D H+ + HCO3- • Mechanoreceptor - pulmonary stretch receptors - irritant receptors

17. 1. สรีรวิทยาการหายใจ Acid – Base Balance Depend on both alveola ventilation and perfusion and gas exchange • pH of blood – 7.35 – 7.45 • ควบคุมโดย pH buffer system ในเลือดและของเหลวของร่างกาย • Buffer system ที่สำคัญคือ bicarbonate/ carbondioxide (HCO3-/ Co2) buffer system Co2 + H2O D H2 CO3 D H+ + HCO3 • Buffer system อื่นๆ ได้แก่ ฮีโมโกลบิน HbH D H- + H+ Oxy- HbH D OxyHb- + H+ • Non – bicarbonate buffers อื่นๆ ได้แก่ plasma protien and inorganic phosphates/ organic phosphates H2 PO4- D H+ + HPO42-

18. 1. สรีรวิทยาการหายใจ ค่าปกติจากการตรวจ arterial blood gas PaO2 = 75 – 100 mmHg PaCO2 = 35-45 mmHg pH = 7.35 – 7.45 HCO3 = 22 – 26 mEg/ liter O2 saturation = 97%

19. 2. ความผิดปกติของการหายใจ อัตราการหายใจปกติ ผู้ใหญ่ 12 – 16 ครั้ง/ นาที เด็ก 35 ครั้ง / นาที

20. ความผิดปกติของการหายใจความผิดปกติของการหายใจ Apnea • Cheyne – Strokes Breathing - หายใจเร็ว สลับกับการหยุดหายใจ - พบในเด็กคลอดก่อนกำหนดและผู้ป่วยที่มีอันตรายต่อสมอง • Obstructive Sleep Apnea - นอนกรน สลับกับการหยุดหายใจเป็นพักๆ - พบในคนอ้วน ทอนซิลโต กรามเล็ก ลิ้นตกไปอุดทางเดินหายใจ • Sudden Infant Death Syndrome (SIDS) - พบในเด็กทารกเพศชายแรกคลอดที่น้ำหนักน้อย - สาเหตุจากความผิดปกติของระบบประสาทส่วนกลางและการอุดกั้นทางเดินหายใจ

21. Obstructive and restrictive defects • Two major patterns of abnormal pulmonary function test • Obstructive defects e.g. asthema • Restrictive defects e.g. pulmonary fibrosis • Obstructive airways disease, RV and TLC mildly increase, FEV1, FVC + FEV1 : VC ratio decreased • Results of pulmonary function test depend on clinical state of patient and useful for follow-up patients • Restrictive disease restrict lung movement, decrease RV and TLC, FEV1 and VC may be reduced

23. Respiratory Failure เกิดจาก • Ventilation defects • Nervous, e.g. nacrotic, encephalitis cerebral space occupuing lesion, poliomyelitis, motor neurones disease • Mechanical e.g. airway obstruction trauma, kypho scoliosis, muscle disease, pleural effusion, obesity (Pickwickian syndrome) • Restrictive defects e.g. pulmonary fibrosis • Perfusion defects e.g. cardiac failure or multiple pulmonary emboli • Gas exchange defects e.g. emphysema, diffuse pulmonary fibrosis

24. 3. Obstructive Disorder 3.1 Acute Obstruction Etiology - Foreign bodies aspiration - Swelling of trachea and pharynx - Spasm of larynx and bronchi - Tongue - Hypersecretion of muscus - Chemical irritation - Severe anaphylactic secretion - Infections

25. Figure 14.17 Bronchial obstruction. The obstructing lesion causes a lipid or infective pneumonia in the distal lung and, if unrelieved, distal bronchiectasis.

26. Figure 14.5 Laryngeal carcinoma. The tumour is protruding into the larynx and invading the underlying tissues

27. 3. Obstructive Disorder 3.1 Acute Obstructive Sign and Symptoms - Marked respiratory effort - Sternal, abdominal and intercostal retraction - Extreme anxiety - Cyanosis and coma Partial airway obstruction - h RR and h HR - Respiratory straidor - dyspnea

28. 3. Obstructive Disorder 3.1 Acute Obstructive Bronchiolitis - Viral infection : respiratory syncytial virus, adenovirus, parainluenza and rhinovirus - Inflamation of bronchiolar mucosa g obstruction of small bronchioles - Occur in infants less than 18 month old with fever, rhinorhea, prolonged expiratory phase, wheezing, nasal flaring and chest retraction

29. 3. Obstructive Disorder 3.1 Acute Obstructive Laryngotracheobronchitis - Viral infection : type I, II, III, parainluenza adenovirus and rhinovirus and respiratory syncytial virus - Extensive edema of subglotic area (larynx, trachea and bronchi with spiratory straidor)

30. 3. Obstructive Disorder 3.1 Acute Obstructive Acute epiglottitis - Emergency case - Sudden obstruction of URT - Inflammation of epiglottis, aryepiglottic folds and supraglottic area by hemophilus influenzae type B - Pt. 3-7 yrs with high fever and swallow difficulty

31. 3. Obstructive Disorder 3.2 Chronic Obstruction - Chronic Obstructive pulmonary (lung) diseases (COPD, COLD) - Alveola hypoventilation, hypoxemia, h CO2 and compensated respiratory acidosis - Four groups of diseases 1. Emphysema 2. Chronic bronchitis 3. Bronchial asthma 4. Bronchiectasis

32. 3. Obstructive Disorder Table 15-3 -- Disorders Associated with Airflow Obstruction: The Spectrum of Chronic Obstructive Pulmonary Disease *A feature of chronic bronchitis (see text).

33. 3. Obstructive Disorder 3.2 Chronic Obstruction Emphysema - Enlarge of the airspace distal to the terminal bronchioles with destruction of the alveolar walls - Diseases affecting chronic cigarette smokers - In non smokers, genetic dificiency of α, - antitrypsin - Emphysema and chronic bronchitis usually coexist and clinically grouped together under COPD - Chronic bronchitis is defined clinically as productive cough 3 months per year for at least two years

34. 3. Obstructive Disorder Figure 15-5 A, Diagram of normal structures within the acinus, the fundamental unit of the lung. A terminal bronchiole (not shown) is immediately proximal to the respiratory bronchiole. B, Centriacinar emphysema with dilation that initially affects the respiratory bronchioles. C, Panacinar emphysema with initial distention of the peripheral structures (i.e., the alveolus and alveolar duct); the disease later extends to affect the respiratory bronchioles.

35. 3. Obstructive Disorder Table 15-4 Emphysema and Chronic Bronchitis

36. CLINICAL CORRELATE Respiratory Control in Chronic Obstructive Pulmonary Disease Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is most often associated with tobacco smoking and may be exacerbated by occupational exposure to certain pollutants. It is characterized by chronic bronchitis (coughing with sputum production) and emphysema (destruction of alveolar walls resulting in fewer, enlarged "alveoli" with reduction in total surface area for gas diffusion). As a result, patients with this disease become hypoxic and hypercapnic (PaO2 is below normal and PaCO2 is elevated); pH is somewhat lower than normal, although significant compensation occurs by elevation of HCO3- through renal mechanisms. In other words, the patients suffer from chronic respiratory acidosis, with metabolic compensation. In this state of chronic hypercapnea, normal CSF pH is maintained by elevation of HCO3- in the CSF. The CNS is chronically exposed to high Pco2, and the central chemoreceptors become unresponsive to CO2. Thus, patients with COPD develop "hypoxic respiratory drive," in which respiratory drive is mainly mediated by peripheral chemoreceptor responses to low PaO2. When an acute exacerbation arises in such a patient, if supplemental O2 is administered carelessly, results can be catastrophic and even fatal: PaO2 will rise, but respiratory drive may fail as a result, causing a fall in minute ventilation and a further rise in PaCO2. Ventilatory support with some supplemental oxygen may be beneficial, but suppression of ventilatory drive must be avoided.

37. 3. Obstructive Disorder Figure 15-6 A, Centriacinar emphysema. Central areas show marked emphysematous damage (E), surrounded by relatively spared alveolar spaces. B, Panacinar emphysema involving the entire pulmonary architecture.

38. 3. Obstructive Disorder Figure 15-7  Pathogenesis of emphysema. The protease-antiprotease imbalance and oxidant-antioxidant imbalance are additive in their effects and contribute to tissue damage. α1-antitrypsin (α1-AT) deficiency can be either congenital or "functional" as a result of oxidative inactivation. See text for details. IL-8, interleukin 8; LTB4, leukotriene B4; TNF, tumor necrosis factor.

39. 3. Obstructive Disorder Figure 15-8 Schematic representation of evolution of chronic bronchitis (left) and emphysema (right). Although both can culminate in chronic bronchitis and emphysema, the pathways are different, and either one may predominate. The dashed arrows on the left indicate that in the natural history of chronic bronchitis, it is not known whether there is a predictable progression from obstruction in small airways to chronic (obstructive) bronchitis.  (Redrawn from Fishman AP: The spectrum of chronic obstructive disease of the airways. In Fishman AP (ed): Pulmonary Diseases and Disorders, 2nd ed. New York, McGraw-Hill, 1988, p. 1164.)

40. 3. Obstructive Disorder • This is severe emphysematous change characterised by large bullae at the pleural surface. • Histology shows the presence of enlarged alveolar spaces characteristic of emphysema in comparison with that in a normal lung

41. 3. Obstructive Disorder Chronic Bronchitis - Diagnosis based on clinical grounds : a persistent productive cough for at least 3 consecutive months in at least 2 consecutive years - Two forms of chronic bronchitis 1. Simple chronic bronchitis 2. Obstructive chronic bronchitis

42. 3. Obstructive Disorder Pathology of chronic bronchitis FIGURE 12-41. Chronic bronchitis. Morphological changes in chronic bronchitis.

43. 3. Obstructive Disorder Figure 15-8 Schematic representation of evolution of chronic bronchitis (left) and emphysema (right). Although both can culminate in chronic bronchitis and emphysema, the pathways are different, and either one may predominate. The dashed arrows on the left indicate that in the natural history of chronic bronchitis, it is not known whether there is a predictable progression from obstruction in small airways to chronic (obstructive) bronchitis.  (Redrawn from Fishman AP: The spectrum of chronic obstructive disease of the airways. In Fishman AP (ed): Pulmonary Diseases and Disorders, 2nd ed. New York, McGraw-Hill, 1988, p. 1164.)

44. 3. Obstructive Disorder fig - 3 พยาธิกำเนิดของโรคถุงลมโป่งพอง และหลอดลมอักเสบเรื้อรัง Anatomic distribution of pure chronic bronchitis and pure emphysema. In chronic bronchitis the small-airway disease (chronic bronchiolitis) results in airflow obstruction, while the large-airway disease is primarily responsible for the mucus hypersecretion.

45. 3. Obstructive Disorder Clinical Course - Productive cough for many years - Exertional dyspnea and cyanosis - Cyanosis and edema secondary to cor pulmonale led to the label “blue bloater”

46. 3. Obstructive Disorder Bronchial Asthma - Bronchospasm causes severeairway obstruction - Paroxysms of wheezing, dyspnea and cough - Pts. have acute episodes of asthma alternate with asymptomatic periods or superimposed on chronic airway obstruction - Severe acute asthma unresponsive to theraphy is termed “Status asthmaticus”

47. 3. Obstructive Disorder Bronchial Asthma - Two types of asthma : extrinsic (allergic) and intrinsic (idio syncratic) - or classified according to precipitating factors *All types may be precipated by cold, stress, excercise All have hyperreactive airways

48. 3. Obstructive Disorder fig 13-11 A model for allergic asthma. A, Inhaled allergens (antigen) elicit a TH2-dominated response favoring IgE production and eosinophil recruitment (priming or sensitization). B, On re-exposure to antigen (Ag), the immediate reaction is triggered by Ag-induced cross-linking of IgE bound to IgE receptors on mast cells in the airways. These cells release preformed mediators that open tight junctions between epithelial cells. Antigen can then enter the mucosa to activate mucosal mast cells and eosinophils, which in turn release additional mediators. Collectively, either directly or via neuronal reflexes, the mediators induce bronchospasm, increased vascular permeability, and mucus production and recruit additional mediator-releasing cells from the blood. C, The arrival of recruited leukocytes (neutrophils, eosinophils, and basophils; also lymphocytes and monocytes [not shown]) signals the initiation of the late phase of asthma and a fresh round of mediator release from leukocytes, endothelium, and epithelial cells. Factors, particularly from eosinophils (e.g., major basic protein, eosinophil cationic protein), also cause damage to the epithelium. Pathogenesis of Athma

49. 3. Obstructive Disorder Figure 14.20 Asthma. Tracheal mucous plug (arrowed) in death from status asthmaticus. Histological section of lung at autopsy showing occlusion of airways by oedema and mucous plugs (arrowed) accompanied by alveolar distension with entrapped gas.

50. 3. Obstructive Disorder : Asthma Morphology - Grossy, lungs are overdistended due to over inflation and may be small area of atelectasis - Histologically, the mucus plugs contain whorls of shed epithelium (Curschmann spirals), numerous eosinophils and Charcot – Leyden crystals - Characteristic findings of asthma are called “airway remodeling”