Prof. Carlo Vancheri Cattedra di Malattie dellApparato Respiratorio Ex Istituto di Malattie...

Prof. Carlo VancheriCattedra di Malattie dell’Apparato

Respiratorio

Ex Istituto di Malattie dell’Apparato Respiratorio – Via Passo Gravina 187, Catania

Ospedale Tomaselli

Dipartimento di Medicina Interna e Medicina Specialistica

SEZIONE DI MALATTIE RESPIRATORIE

UNIVERSITA’ DI CATANIA

Meccanismi di difesa dell’apparato respiratorio

Dipartimento di Medicina Interna e Medicina Specialistica

SEZIONE DI MALATTIE RESPIRATORIE

UNIVERSITA’ DI CATANIA

ISTITUTO MALATTIE RESPIRATORIE UNIVERSITA’ DI

CATANIA

Le vie aeree sono di fatto a contatto con l’ambiente esterno

Normalmente in un giorno vengono scambiati da 10.000 a 30.000 Litri di aria.

Gas respirati

O2, CO2, N2, argon

Nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon monoxide, ozone

Volatile organic compounds, hydrocarbons

Materiale particolato

Pollen, ash, mineral dust

Mold spores, organic particles

Tutte queste sostanze sono capaci di danneggiare i polmoni sia direttamente che indirettamente

Le vie aeree e i polmoni devono essere capaci di gestire questa mole di lavoro, devono essere in grado inoltre di riparare i danni causati dal contatto con queste sostanze.

Devono essere capaci di rimuovere le particelle inalate.


CATANIA

•Meccanismi fisici

•Clearance mucociliare

•Clearance alveolare

•Tosse

•Meccanismi immunologici

•S-IgA

•Sistema interferon

•B.A.L.T.

Meccanismi bioenzimatici


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Aerosols particolati

Gli aerosols sono classificati secondo la dimensione delle particelle trasportate.Queste si depositeranno in differenti zone dell’apparato respiratorio secondo la loro dimensione, il tipo di respiro e il calibro e la forma delle vie aeree:

> 5 µm --> rino e oro-faringe

> 1 µm --> albero tracheo-bronchiale

< 1 µm --> zone distali del polmone


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•Meccanismi fisici•Clearance mucociliare

•Tosse



•S-IgA


•B.A.L.T.


Le particelle possono essere bloccate sulla superficie epiteliale

Filtrazione aerodinamica

•Punti di biforcazione --> cambio di direzione

•Flusso turbolento

•Forza di gravità

Le particelle depositatesi vengono rimosse grazie a:

•Clearance muco-ciliare

•Tosse



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•Clearance mucociliare•Tosse



•S-IgA


•B.A.L.T.



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L’epitelio delle vie aeree è di tipo pseudostratificato, è ricoperto da un sottile strato detto airway surface liquid (ASL).

L’ASL consiste di uno strato acquoso periciliare (SOL) e di uno strato mucoso (GEL) sovrastante.

Lo strato mucoso viene prodotto nelle vie aeree principali dalle ghiandole mucipare, e dalle goblet cell nelle vie aeree periferiche.

L’origine dello strato acquoso non è del tutto chiara.

Una parte proviene dalla periferia , parte è prodotto dalle ghiandole mucipare.

E’ poco chiaro il ruolo delle cellule epiteliali, più della produzione di ASL è importante il riassorbimento da parte di queste cellule.

L’assorbimento è essenziale nell’impedire l’ostruzione delle vie aeree.

Clearance mucociliare


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Le ciglia sono strutturalmente analoghe a dei flagelli, il movimento è dipendente dall’ ATPase

Quando l’ATP viene metabolizzato, le proteine strutturali delle ciglia cambiano la loro configurazione: le ciglia si muovono.

Le ciglia sono dotate di uncini nella loro parte terminale, questi sono in grado di attaccarsi al muco.

Le ciglia si muovono in modo da trasferire l’energia del loro movimento solo in una direzione.

Le ciglia ondeggiano verso il faringe.



CATANIA



CATANIA

•Introduzione



•Tosse•Clearance alveolare


•S-IgA


•B.A.L.T.



CATANIA

Sebbene normalmente non presente, è un importante meccanismo di clearance.

La tosse insorge essenzialmente quando una particella è troppo grande per essere rimossa dalla clearance mucociliare.

Questo coinvolge riflessi scatenati dai irritant receptors e condotti dal nervo vago. Come per altri aspetti della repirazione , sebbene la tosse sia un meccanismo riflesso, è anche sotto il controllo volontario.

Quando l’aria viene compressa sulla superficie mucosa, si generano dei flussi ad alta velocità che riescono a spostare grandi particelle nella direzione del flusso aereo.

Entro certi limiti questo processo è facilitato dalla compressibilità delle pareti delle vie aeree periferiche.

Durante l’espirazione forzata, le vie aeree sono compresse dall’aumentata pressione intratoracica.

Quando il flusso d’aria passa attraverso le vie aeree compresse accelera notevolmente generando una maggiore spinta a livello della superficie mucosa.

Naturalmente la clearance si riduce se le vie aeree si costringono eccessivamente.

Tosse

Anatomy of the Cough ReflexAnatomy of the Cough Reflex

RECEPTORSLaryngeal and tracheobronchial, Diaphragm, pleura, oesophagus

Rapidly adapting irritant receptors, Non-myelinated c- fibres

“COUGH CENTRE”Integration of afferent fibres in the Medulla, separate to centres which control breathing

EFFECTOR MUSCULATUREExpiratory Muscles, Diaphragm, Larynx, Bronchial SM

Afferents Ipsilateral vagus nerve Glossophayrngeal, phrenic Bronchial Submucosal

Glands

Efferents Phrenic & spinomotor nerves Recurrent larnygeal Vagal efferents to bronchial tree

Cough Mechanics

Inspiratory Phase Glottis reflexly opens

Deep inspiration to a high lung volume > FRC

This allows the optimisation of length tension relationships of expiratory muscles

Higher expiratory pressures and flows can thus be generated


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Cough Mechanics

Compressive Phase Characterised by glottic closure and near simultaneous onset of

expiratory muscles in the rib cage and abdomen

High intrathoracic pressures are generated up to 300 cm H20

These pressures are 50-100% > than that obtained during other forced expiratory manoeuvres, and permits generation of flow rates needed for an effective cough


CATANIA

Cough Mechanics

Expiratory Phase Glottis opens after 0.2 sec, and high expiratory flow rates up to 15 l/sec are

generated

Associated passive oscillations of tissue and gas

Rapid fall in central airway pressure, and sustained high intra-alveolar and intrapleural pressures allow high gas velocities up to Mach 0.6

High kinetic energy, fluid shear forces and wall accelerations are important in suspending and accelerating secretions which are adherent to the bronchial walls towards the mouth


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CATANIA

•Introduzione



•Tosse

•Clearance alveolare•Meccanismi immunologici

•S-IgA


•B.A.L.T.



CATANIA

L’epitelio delle basse vie rerspiratorie non è dotato di ciglia, la clearance degli alveoli e delle vie aeree terminali dipende quindi primariamente dalla azione dei macrofagi.

I macrofagi sono cellule mononucleate che derivano dai monociti del sangue

•Fagocitano particelle estranee, cellule morte…

•Il materiale fagocitato è processato da vari meccanismi ( perossido d’idrogeno, acido ipocloridico, ossido nitrico)

I macrofagi si comportano da cellule presentanti l’antigene interagendo così con varie cellule del sis. immunitario. Una volta assolti i loro compiti i macrofagi:

•Possono rimanere negli alveoli

•Possono essere rimossi dalla clearance mucociliare

•Possono essere rimossi dal sistema linfatico

Clearence alveolare


CATANIAClearence alveolare


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•Introduzione



•Tosse



•S-IgA•Sistema interferon

•B.A.L.T.



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•Immunoglobuline

•Complemento

Nelle prime vie aeree sono maggiormente presenti le IgA secretorie (s-IgA)

Sono costituite da 2 molecole IgA monomeriche unite da due proteine di giunzione

Un’altra glicoproteina, “secretory component” permette il passggio attraverso l’epitelio.

Meccanismi di difesa umorale

IgA IgAJ IgA IgAJ IgA IgAJ

SC SC SC SC

plasmacellule

Cell. epiteliali

J

SC


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Azioni delle S-IgA

•Azione neutralizzante su antigeni virali e batterici

•Favoriscono l’agglutinazione batterica e la loro eliminazione

•Riducono l’adesività batterica alle cellule epiteliali

•Attivazione del complemento

Altre immunoglobuline ( IgG, IgM ) sono presenti nelle vie aeree inferiori con azione principalmente opsonizzante


CATANIA

•Introduzione



•Tosse


•Meccanismi immunologici•S-IgA

•Sistema interferon•B.A.L.T.



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Sistema interferon

•Interferon linfociti attivati da virus

Spiccata e rapida attività antivirale – estende la difesa antivirale ad organi distanti

•Interferon fibroblasti e cell. epiteliali

Si diffonde scarsamente dal sito di produzione, fornisce quindi protezione locale

•Interferon linfociti T

maggiore attività immunomodulante e antitumorale ( Th1-Th2 )


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Sistema interferon

•Stimolazione lisi cellule infette da parte delle cell. NK

• espressione antigeni virali e più facile riconoscimento da parte delle cellule immunitarie.

•Inibizione adesione del virus alla cellula

•Inibizione diffusione extracellulare del virus

•Incremento dell’attività citotossica dei linfociti T

•Incremento dell’attività macrofagica


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•Introduzione



•Tosse


•Meccanismi immunologici•S-IgA


•B.A.L.T.



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Meccanismi immunologici

B.A.L.T.B bronchus

A associated

L lymphoid

T tissue

•Meccanismi di difesa umorale

•Meccanismi di difesa cellulare


CATANIA

•Introduzione



•Tosse



•S-IgA


•B.A.L.T.


Sebbene la clarance mucociliare è riconosciuta come la principale attività dell’epitelio delle vie aeree, altre proprietà di queste cellule sono importanti nella difesa delle vie aereeFunzione antibatterica

•lisozima

•lattoferrina

•chinine

•a1-antitripsinaAntiossidanti Le stesse cellule sono importanti fonti di glutatione. La presenza di agenti antiossidanti aiuta a ridurre il danno prodotto dall’inalazione di sostanze ossidanti a dal contatto con prodotti dei meccanismi infiammatori (elastasi- antielastasi).


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di derivazione macrofagica azione litica sulla membrana batterica, potenzia azione citolesiva IgA e complemento

funzione batteriostatica- sottrazione del ferro al metabolismo batterico

bradichinina - azione vasoattiva

La difesa dalla presenza di materiale estraneo a livello dei polmoni è una funzione fisiologica che riveste la massima importanza. Nelle vie aeree la difesa si realizza grazie alla natura ramificata dell’albero respiratorio e grazie a meccanismi quali tosse e clearance mucociliare. Quando questi non sono sufficienti o falliscono, la risposta immunologica viene in aiuto. A livello alveolare comunque le cellule del sis immunitario e primariamente i macrofagi costituiscono il principale meccanismo di clearance. L’integrità tessutale del parenchima polmonare viene inoltre garantita dal mantenimento dell’equilibrio tra sostanze ed attività ad azione lesiva e sostanze con azione protettiva.


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Conclusioni

Respiratory Presentations

• Acute breathlessness

• Chronic breathlessness

• Cough

• Sputum

• Haemoptysis

• Chest pain


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Respiratory Presentations• Acute breathlessness


• Cough

• Sputum

• Haemoptysis

• Chest pain


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Characteristics of Normal Breathing

• Normal rate and depth

• Regular breathing pattern

• Good breath sounds on both sides

• Equal rise and fall of chest

• Movement of the abdomen


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Signs of Abnormal Breathing• Rate < 8 or > 24 breaths/min

• Muscle retractions

• Cool, damp (clammy), and pale or blue skin

• Shallow or irregular respirations

• Pursed lips

• Nasal flaring


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Causes of Dyspnea

• Upper or lower airway infection

– Infectious diseases may affect all parts of airway.

– Usually some form of obstruction to air flow or the exchange of gases

• Acute pulmonary edema

– Fluid build-up in the lungs


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Causes of Dyspnea

• Chronic obstructive pulmonary disease (COPD)

– Result of direct lung and airway damage from repeated infections or inhalation of toxic agents

– Bronchitis and emphysema are two common types of COPD.


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Causes of Dyspnea

• Spontaneous pneumothorax

– Accumulation of air in the pleural space

• Asthma or allergic reactions

– Either can result in acute spasms of the bronchioles.

• Pleural effusion

– Collection of fluid outside lung


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Causes of Dyspnea

• Mechanical obstruction of the airway

– Obstruction may result from the tongue, aspiration, vomitus, or foreign body.

• Pulmonary embolism

– Blood clot in pulmonary circulation


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Dispnea polmonare e cardiaca• DP acuta:polmonite,pneumotorace,asma, corpi estranei

• DP insorgenza attenuata ma in rapida progressione:vers. Pleurici,tumori, TBC

• DP a lenta progressione: BPCO, interstiziopatie

• DC acuta: tromboembolia polmonare, edema polmonare

• DC a rapida progressione: tromboembolia polm. Ricorrente, insufficienza cardiaca congestizia


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• Cough

• Sputum

• Haemoptysis

• Chest pain


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Cough - features

• Duration

• Frequency

• Productive/non-productive

• Pleurisy


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Cough - diagnostic aspects

• Duration– If recent onset, more likely new diagnosis

• bronchial carcinoma, acute infection

– If long-standing, more chronic condition likely• chronic bronchitis, bronchiectasis


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Cough - features

• Duration

• Frequency


• Pleurisy


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Cough - diagnostic aspects• Frequency (I)

– Predominantly nocturnal• asthma, LVF

– Daily, especially in mornings • chronic bronchitis

– Daily, affected by posture• bronchiectasis


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• Frequency (II)– Sudden onset

• inhaled foreign body

– Exacerbated by swallowing• aspiration


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Cough - features

• Duration

• Frequency


• Pleurisy


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• Productive/non-productive– Productive

• chronic bronchitis, bronchiectasis, lung abscess

– Non-productive• asthma, laryngitis, tracheitis, bronchial carcinoma,

early acute bronchitis or pneumonia


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Cough - features

• Duration

• Frequency


• Pleurisy


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• Pleurisy– Associated with pleuritic pain

• pneumonia, bronchial carcinoma, pneumothorax

– Less likely to be associated with pleuritic pain (distinguish from muscoloskeletal pain)

• acute and chronic bronchitis, asthma, LVF, laryngitis, tracheitis,

(cough fractures)


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Cough as a symptom of Asthma

Cough as the only symptom of asthma occurs in 6.5% to 57.0% of patients

Termed “Cough Variant Asthma”

Defined as “Cough as the only symptom of asthma in patients with demonstrable airway hyperresponsiveness” Johnson et al, J Asthma

1991

Definitive diagnosis is only made when cough resolves with specific asthma medications


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ACE-I Cough

Peptidase inhibition

Bradikinin rising stimulates the cough’s reflex nerves


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Ipsilateral vagus nerve Glossophayrngeal, phrenic

GER induced Cough


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Ipsilateral vagus nerve

•common chronic cough cause

•more than acidic stimuli it is generated through the activation of distal esophagus receptors

Chronic Persistent Cough

Cough for at least 3 weeks

Cough being the only presenting symptom

Cough is not associated with haemoptysis

The absence of prior history of chronic respiratory disease to account for the cough

Current Chest X-ray does not contribute to the diagnosis

Cough may be with or without sputum production


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Causes of Chronic CoughBronchial asthma and post infectiousbronchial hyperresponsiveness

33%

Post nasal drip 28%

Otherwise asymptomatic GOR 18%

Symptomatic gastro-oesophagealreflux (GOR)

10%

Chronic Bronchitis 12%

Other: ACE-I induced cough,psychogenic, tracheomalacia

10%


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Investigation and Management of Chronic CoughInvestigation and Management of Chronic Cough

Chronic Cough

Hx and Ex

CXR AbnormalNormal

LaryngoscopySinus Imaging

Oesophageal pHmonitoring

Ca Lung, PneumoniaBronchiectasis, LVF, ILDx, Aspiration,Drug effect etc

Asthma /BHR

GERDPNDrip Empiric TrialH2 Antagonists

Empiric TrialNasal DecongestantsIntranasal Steroids

Lung FunctionBHR testing

B agonistsInhaled CSTNedocromil

CT ThoraxBronchoscopy

TracheomalaciaProx. bronchial DxLymphoma etc.

+

- - -

Unexplained,Psychogenic

+H+ inhibitors

-+

-Hx… hystory of patient

Ex… physical exam

CXR….chest x ray

GERD…gastro-esophageal reflux disease

BHR… bronchial hyper reactivity

LVF…left ventricular failure

ILD….interstitial lung disease




• Cough

• Sputum

• Haemoptysis

• Chest pain


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Sputum - features

• Amount

• Character

• Taste/Odour


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Sputum - diagnostic aspects

• Amount– Only rarely accurately assessed by patient– Not usually diagnostically useful to know

precise quantity!– Large volumes of sputum suggest certain

conditions:• bronchiectasis, lung abscess, chronic bronchitis


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Sputum - features

• Amount

• Character

• Taste/Odour


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• Character (I)– Thin/serous/frothy

• LVF (pink), hysterical (saliva)

– Mucoid, grey/white/clear• Chronic bronchitis


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• Character (II)– Mucoid, yellow

• Chronic bronchitis, asthma

– Mucoid, green• Bacterial infection e.g. acute bronchitis,

bronchiectasis, pneumonia, lung abscess


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Sputum - features

• Amount

• Character

• Taste/Odour


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• Taste/Odour– Muco-purulent sputum

• Bacterial infection e.g. acute bronchitis, bronchiectasis, pneumonia, lung abscess

– Highly offensive and putrid• anaerobic infection e.g. lung abscess, bronchiectasis


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• Cough

• Sputum

• Haemoptysis

• Chest pain


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Definition

• Expectoration of blood from the respiratory tract

• Varies from blood streaking of sputum to coughing up massive amounts of blood

• Very frightening to the patient and to the treating physician especially when acute


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Definition• Assessment of severity of hemoptysis can be

based on amount of blood lost during episode

MildMild: Less than 60 cc of blood lost for the whole episode

MassiveMassive: More than 100 cc to 600cc of blood lost in a 24 hour period

Life-threateningLife-threatening: More than 120 cc of blood lost in an hour


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Where is it from??

GI TractGI Tract

Dark red or brown

In clumps

Mixed with food

Acidic pH

Stomachache, Abdominal discomfort

Nausea, retching before/after episode

Respiratory TractRespiratory Tract

Bright red

Foamy, runny

Mixed with mucus

Alkaline pH

Chest pain, warmth or gurgling over chest

Persistent cough


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Where is it from??

• Upper airway bleeding can only be excluded by a good ENT examination

• Blood from the upper GIT can be aspirated and coughed up

• Blood from the lungs can be swallowed and vomited


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Significance

• Hemoptysis is an important sign of an underlying disease

• Massive hemoptysis is life threatening due to Asphyxia

• Mortality rate can be as high as 80%


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Etiology• Source other than the lower respiratory tract

– Upper airway (nasopharyngeal) bleeding

– Gastrointestinal bleeding

• Tracheobronchial source– Neoplasm (bronchogenic carcinoma, endobronchial

metastatic tumor, Kaposi's sarcoma, bronchial carcinoid)

– Bronchitis (acute or chronic)

– Bronchiectasis

– Airway trauma

– Foreign body


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Etiology

• Pulmonary parenchymal source– Lung abscess– Pneumonia– Tuberculosis– Mycetoma ("fungus ball")– Goodpasture's syndrome– Idiopathic pulmonary hemosiderosis– Wegener's granulomatosis– Lupus pneumonitis– Lung contusion


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Etiology

• Primary vascular source– Arteriovenous malformation– Pulmonary embolism– Elevated pulmonary venous pressure (esp. mitral stenosis)– Pulmonary artery rupture secondary to balloon-tip pulmonary

artery catheter manipulation

• Miscellaneous/rare causes– Pulmonary endometriosis– Systemic coagulopathy or use of anticoagulants or thrombolytic

agents


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Causes of Massive Hemoptysis• Tuberculosis• Bronchiectasis• Fungal Infections• Other Lung Infection• Bronchogenic Carcinoma• Chemotherapy and Bone Marrow Transplantation• Immunologic Lung Disease• Cardiac or Vascular Disease


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Diagnostic Approach

• Patient’s with massive hemoptysis need rapid establishment of airway patency, prevention of suffocation and control of bleeding

• The secondary goal is to determine the site of bleeding and cause


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BPCO TBC CA

4,4 94.4 0.2 (1932)

24.3 72,7 3 (1960)

33,6 20.8 45.6 (1980)


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Incidenza emottisi nelle diverse patologie

History and Physical

• History, physical examination, and chest x-ray are not very reliable but important

• Important points in the history:– Hx of prior lung, cardiac or renal disease

– Hx of smoking

– Hx of prior hemoptysis, pulmonary symptoms or infectious symptoms

– Family history of hemoptysis

– Skin rash


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History and Physical

– Hx of exposure to organic chemicals

– Travel history

– Hx of exposure to asbestos

– Hx of bleeding disorders, use of aspirin or NSAIDS, or anticoagulants

– Upper airway or upper GI symptoms


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• Cough

• Sputum

• Haemoptysis

• Chest pain


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Chest pain - features

• Pleuritic (worse on inspiration and coughing)

• Onset

• Other diagnoses


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Chest pain - diagnostic aspects

• Pleuritic pain – Due to stretching of inflamed parietal pleura– Needs to be distinguished from cardiac pain

and GOR and spasm• Pneumonia, PE, pneumothorax, rib fractures,

tumours


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• Onset

• Other diagnoses


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Chest pain - diagnostic aspects

• Onset– Sudden onset

• pneumothorax, PE, rib fracture

• acute pneumonia can cause sudden onset pain

– Gradual onset, dull dragging chest pain initially becoming more acute, may be associated breathlessness if pleural effusion

• malignancy, primary (mesothelioma) or secondary


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• Onset

• Other diagnoses


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Per oggi abbiamo finito ci vediamo domani, stessa

ora stesso luogo


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Laboratory Evaluation

• CBC with differentials

• Electrolytes, BUN, and Creatinine

• Liver functions

• PT, PTT

• Urinalysis

• ABG

• Drug levels when suspected

• Blood grouping and cross matching

• Sputum stain and culture for M. Tuberculosis and Fungi

• Cytology

• Bedside Spirometry to assess the fitness of the patient for surgery


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Initial Management

• The patient should be monitored in an ICU setting

• Early pulmonology and thoracic surgery consultation

• If bleeding decreases and patient stabilized, mild sedation and cough suppression


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Initial Management

• If the bleeding site is known, the patient should be put in a lateral decubitus position with the bleeding side down to protect the other lung from spillage and drowning

• If oxygenation is compromised or bleeding continues, the patient should be intubated


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Diagnostic Procedures• Bronchoscopy

Flexible Fibreoptic Video BronchoscopeFlexible Fibreoptic Video Bronchoscope Rigid BronchoscopyRigid Bronchoscopy

Fibreoptic bronchoscopy done early with active bleeding patientsHas the highest yield for localizing the site of bleeding.If visualization is sub optimal, a rigid bronchoscope can be used


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Bronchoscopy

An actively bleedingAn actively bleedingtumor in the wall of thetumor in the wall of theBronchus seen using a fiber-Bronchus seen using a fiber-Optic bronchoscopeOptic bronchoscope


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Other Diagnostic Procedures

• Arteriography• CT Scan of the Chest

– NEVER MOVE AN UNSTABLE PATIENT FROM THE ICU FOR THE SAKE OF DOING A CT

• Other less important and less yielding test such radionuecleotide studies


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CT Scan

A CT scan of the chest revealing a tumor in thePeriphery which turned out to be TB. The patientWas 55 years old and presented with massive hemoptysis


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Diagnostic Approach for Non Massive Hemoptysis

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