مواضيع المحاضرة:
background image

 

34 

 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

35 

Lecture 1 – Edema, Hyperemia and 
congestion & Hemorrhage 
 

Edema 

  Approximately 60% of lean body weight is water, two-

thirds of which is intracellular and the remainder is in 
extracellular compartments, mostly as interstitial fluid; 
only 5% of total body water is in blood plasma. The term 
edema signifies increased fluid in the interstitial tissue 
spaces; fluid collections in different body cavities are 
variously designated hydrothorax, hydropericardium, or 
hydroperitoneum (the last is more commonly called 
ascites). Anasarca is a severe and generalized edema with 
profound subcutaneous tissue swelling. 

  The movement of fluid between vascular and interstitial 

spaces is controlled mainly by the opposing effects of 
vascular hydrostatic pressure and plasma colloid osmotic 
pressure. Normally, the exit of fluid into the interstitium 
from the arteriolar end of the microcirculation is nearly 
balanced by inflow at the venular end; the lymphatics 
drain a small residual amount of excess interstitial fluid. 
Either increased capillary pressure or diminished colloid 
osmotic pressure can result in increased interstitial fluid 
As extravascular fluid accumulates in either case, the 
increased tissue hydrostatic and plasma osmotic pressures 
eventually achieve a new equilibrium, and water re-enters 
the venules. Excess interstitial edema fluid is removed by 
lymphatic drainage, ultimately returning to the 
bloodstream via the thoracic duct); clearly, lymphatic 
obstruction (e.g., due to scarring or tumor) can also impair 
fluid drainage and cause edema. Finally, sodium retention 
(with its obligatory associated water) due to renal disease 
can also cause edema.  

  The edema fluid occurring with volume or pressure 

overload, or under conditions of reduced plasma protein, 
is typically a protein-poor transudate; it has a specific 
gravity less than 1.012. Conversely, because of the 
increased vascular permeability, inflammatory edema is a 
protein-rich exudate with a specific gravity that is usually 
greater than 1.020  
 

 

Increased Hydrostatic Pressure 

Localized increases in intravascular pressure can result 
from impaired venous return; for example, lower 
extremity deep venous thrombosis can cause edema 
restricted to the distal portion of the affected leg. 
Generalized increases in venous pressure, with resultant 

systemic edema, occur most commonly in congestive 
heart failure
 affecting right ventricular cardiac function. 
Although increased venous hydrostatic pressure is 
contributory, the pathogenesis of cardiac edema is more 
complex In congestive heart failure, reduced cardiac 
output translates into reduced renal perfusion. Renal 
hypoperfusion in turn triggers the renin-angiotensin-
aldosterone axis, inducing sodium and water retention by 
the kidneys (secondary aldosteronism). This mechanism 
normally functions to increase intravascular volume and 
thereby improve cardiac output to restore normal renal 
perfusion. However, if the failing heart cannot increase 
cardiac output, the extra fluid load causes increased 
venous pressure and, eventually, edema. Unless cardiac 
output is restored or renal water retention reduced (e.g., 
by salt restriction, diuretics, or aldosterone antagonists), a 
cycle of renal fluid retention and worsening edema 
ensues. Although salt restriction, diuretics & aldosterone 
antagonists are discussed here in the context of edema in 
congestive heart failure, it should be understood that they 
are also of value in the management of generalized edema 
resulting from a variety of other causes.  

 

Reduced Plasma Osmotic Pressure 

Albumin is the serum protein most responsible for 
maintaining intravascular colloid osmotic pressure; reduced 
osmotic pressure occurs when albumin is inadequately 
synthesized or is lost from the circulation. An important 
cause of albumin loss is the nephrotic syndrome in which 
glomerular capillary walls become leaky; patients typically 
present with generalized edema. Reduced albumin synthesis 
occurs in the setting of diffuse liver diseases (e.g., cirrhosis; 
or due to protein malnutrition In each case, reduced plasma 
osmotic pressure leads to a net movement of fluid into the 
interstitial tissues with subsequent plasma volume 
contraction. Predictably, reduced intravascular volume 
leads to renal hypoperfusion followed by secondary 
aldosteronism. Unfortunately, the retained salt and water 
cannot correct the plasma volume deficit since the primary 
defect of low serum proteins persists. As with congestive 
heart failure, edema precipitated by low protein is 
exacerbated by secondary salt and fluid retention.  
 

Lymphatic Obstruction 

Impaired lymphatic drainage and consequent lymphedema 
is usually localized; it can result from inflammatory or 
neoplastic obstruction. For example, the parasitic 
infection filariasis can cause extensive inguinal lymphatic 
and lymph node fibrosis. The resultant edema of the 
external genitalia and lower limbs can be so massive as to 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

36 

earn the appellation elephantiasis. Cancer of the breast 
can be treated by resection and/or irradiation of the 
associated axillary lymph nodes; the resultant scarring 
and loss of lymphatic drainage can cause severe upper 
extremity edema. In breast carcinoma infiltration and 
obstruction of superficial lymphatics can also cause 
edema of the overlying skin, the so-called peau d'orange 
(orange peel) appearance. Such a finely pitted surface 
results from an accentuation of depressions in the skin at 
the site of hair follicles. 

Sodium and Water Retention 

Salt retention can also be a primary cause of edema. 
Increased salt-with the obligate accompanying water-
causes both increased hydrostatic pressure (due to 
expansion of the intravascular volume) and reduced 
vascular osmotic pressure. Salt retention can occur with 
any compromise of renal function, as in poststreptococcal 
glomerulonephritis
 and acute renal failure  
 

Morphology 

Edema is most easily recognized grossly; 
microscopically, edema fluid is reflected primarily as a 
clearing and separation of the extracellular matrix 
elements with subtle cell swelling. Although any organ or 
tissue in the body may be involved, edema is most 
commonly encountered in subcutaneous tissues, lungs, 
and brain. 

  Subcutaneous edema can be diffuse or more prominent 

in regions with high hydrostatic pressures; the ultimate 
distribution depends on the underlying etiology. Even 
diffuse edema is usually more prominent in certain body 
areas as a result of the effects of gravity; a gravity-
dependent distribution is referred to as dependent edema 
(e.g., involving the legs when standing, or involving the 
sacrum when recumbent). Dependent edema is a 
prominent feature of cardiac failure, particularly of 
the right ventricle.
 Edema due to renal dysfunction or 
nephrotic syndrome is generally more severe than 
cardiac edema and affects all parts of the body equally. 
Nevertheless, severe edema early in the disease course 
can still manifest disproportionately in tissues with a 
loose connective tissue matrix (e.g., the eyelids, causing 
periorbital edema). Finger pressure over significantly 
edematous subcutaneous tissue displaces the interstitial 
fluid and leaves a finger-shaped depression, so-called 
pitting edema. 

  Pulmonary edema is a common clinical problem most 

frequently seen in the setting of left ventricular failure 
(with a dependent distribution in the lungs), but it also 

occurs in renal failure, acute respiratory distress 
syndrome), pulmonary infections, and hypersensitivity 
reactions. The lungs typically weigh two to three times 
their normal weight, and sectioning reveals frothy, 
sometimes blood-tinged fluid representing a mixture of 
air, edema fluid, and extravasated red cells. 

  Edema of the brain may be localized to sites of focal 

injury (e.g., infarct, abscesses or neoplasms) or may be 
generalized, as in encephalitis, hypertensive crises, or 
obstruction to the brain's venous outflow. Trauma may 
result in local or generalized edema, depending on the 
nature and extent of the injury. With generalized edema, 
the brain is grossly swollen with narrowed sulci and 
distended gyri showing signs of flattening against the 
unyielding skull 
 

Hyperemia and congestion 

  The terms hyperemia and congestion both indicate a local 

increased volume of blood in a particular tissue. Hyperemia 
is an active process resulting from augmented blood flow 
due to arteriolar dilation (e.g., at sites of inflammation or in 
skeletal muscle during exercise). The affected tissue is 
redder than normal because of engorgement with 
oxygenated blood. Congestion is a passive process resulting 
from impaired venous return out of a tissue. It may occur 
systemically, as in cardiac failure, or it may be local, 
resulting from an isolated venous obstruction. The tissue 
has a blue-red color (cyanosis), especially as worsening 
congestion leads to accumulation of deoxygenated 
hemoglobin in the affected tissues  

  Congestion of capillary beds is closely related to the 

development of edema, so that congestion and edema 
commonly occur together. In long-standing congestion, 
called chronic passive congestion, the stasis of poorly 
oxygenated blood causes chronic hypoxia, which in turn 
can result in degeneration or death of parenchymal cells 
and subsequent tissue fibrosis. Capillary rupture at such 
sites of chronic congestion can also cause small foci of 
hemorrhage; phagocytosis and catabolism of the 
erythrocyte debris can result in accumulations of 
hemosiderin-laden macrophages.  
 

Morphology:- 

Cut surfaces of hyperemic or congested tissues are 
hemorrhagic and wet. Microscopically, acute pulmonary 
congestion
 is characterized by alveolar capillaries 
engorged with blood; there may also be associated 
alveolar septal edema and/or focal minute intra-alveolar 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

37 

hemorrhage. In chronic pulmonary congestion the septa 
become thickened and fibrotic, and the alveolar spaces 
may contain numerous hemosiderin-laden macrophages 
("heart failure cells"). In acute hepatic congestion the 
central vein and sinusoids are distended with blood, and 
there may even be central hepatocyte degeneration; the 
periportal hepatocytes, better oxygenated because of their 
proximity to hepatic arterioles, undergo less severe 
hypoxia and may develop only fatty change. In chronic 
passive congestion
 of the liver the central regions of the 
hepatic lobules are grossly red-brown and slightly 
depressed (because of a loss of cells) and are accentuated 
against the surrounding zones of uncongested tan, 
sometimes fatty, liver ("nutmeg liver"; Microscopically, 
there is centrilobular necrosis with hepatocyte drop-out, 
hemorrhage, and hemosiderin-laden macrophages In long-
standing, severe hepatic congestion (most commonly 
associated with heart failure), hepatic fibrosis ("cardiac 
cirrhosis") can develop. It is important to note that 
because the central portion of the hepatic lobule is the last 
to receive blood, centrilobular necrosis can also occur 
whenever there is reduced hepatic blood flow (including 
shock from any cause); there need not be previous hepatic 
congestion. 

 
 

Hemorrhage  

  Hemorrhage is extravasation of blood from vessels into 

the extravascular space. As described above, capillary 
bleeding can occur under conditions of chronic 
congestion; an increased tendency to hemorrhage (usually 
with insignificant injury) occurs in a wide variety of 
clinical disorders collectively called hemorrhagic 
diatheses.
 Rupture of a large artery or vein results in 
severe hemorrhage, and is almost always due to vascular 
injury, including trauma, atherosclerosis, or inflammatory 
or neoplastic erosion of the vessel wall.  

  Hemorrhage can be external or can be confined within a 

tissue; any accumulation is referred to as a hematoma. 
Hematomas can be relatively insignificant (e.g., a bruise) 
or can involve so much bleeding as to cause death (e.g., a 
massive retroperitoneal hematoma resulting from rupture 
of a dissecting aortic aneurysm; Minute (1- to 2-mm) 
hemorrhages into skin, mucous membranes, or serosal 
surfaces are called petechiae) and are typically associated 
with locally increased intravascular pressure, low platelet 
counts (thrombocytopenia), defective platelet function, or 
clotting factor deficiencies.Slightly larger (3- to 5-mm) 

hemorrhages are called purpura and can be associated 
with many of the same disorders that cause petechiae; in 
addition, purpura can occur with trauma, vascular 
inflammation (vasculitis), or increased vascular 
fragility.Larger (1- to 2-cm) subcutaneous hematomas 
(bruises) are called ecchymoses. The erythrocytes in these 
local hemorrhages are phagocytosed and degraded by 
macrophages; the hemoglobin (red-blue color) is 
enzymatically converted into bilirubin (blue-green color) 
and eventually into hemosiderin (golden-brown), 
accounting for the characteristic color changes in a 
hematoma.Large accumulations of blood in one or 
another of the body cavities are called hemothorax, 
hemopericardium, hemoperitoneum,
 or hemarthrosis (in 
joints). Patients with extensive hemorrhages occasionally 
develop jaundice from the massive breakdown of red 
blood cells and systemic increases in bilirubin.  
 

 

  The clinical significance of hemorrhage depends on the 

volume and rate of blood loss. Rapid removal of as much 
as 20% of the blood volume or slow losses of even larger 
amounts may have little impact in healthy adults; greater 
losses, however, can cause hemorrhagic (hypovolemic) 
shock
 (discussed later). The site of hemorrhage is also 
important; bleeding that would be trivial in the 
subcutaneous tissues may cause death if located in the 
brain Finally, chronic or recurrent external blood loss 
(e.g., a peptic ulcer or menstrual bleeding) causes a net 
loss of iron, frequently culminating in an iron deficiency 
anemia. In contrast, when red cells are retained (e.g., with 
hemorrhage into body cavities or tissues), the iron can be 
reutilized for hemoglobin synthesis.  

 

 
 

 
 
 
 
 
 

 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

38 

Lecture 2+3 - Hemostasis & 
thrombosis:- 

 

Normal hemostasis is a consequence of tightly regulated 
processes that maintain blood in a fluid, clot-free state in 
normal vessels while inducing the rapid formation of a 
localized hemostatic plug at the site of vascular injury. 
The pathologic form of hemostasis is thrombosis; it 
involves blood clot (thrombus) formation in uninjured 
vessels or thrombotic occlusion of a vessel after relatively 
minor injury. Both hemostasis and thrombosis involve 
three components: the vascular wall, platelets, and the 
coagulation cascade. 
 

 

Normal Hemostasis 

  The sequence of events in hemostasis at a site of vascular 

injury is shown in After initial injury a brief period of 
arteriolar vasoconstriction occurs mostly as a result of 
reflex neurogenic mechanisms and is augmented by the 
local secretion of factors such as endothelin (a potent 
endothelium-derived vasoconstrictor; The effect is 
transient, and bleeding would resume were it not for 
activation of the platelet and coagulation systems. 

  Endothelial injury also exposes highly thrombogenic 

subendothelial extracellular matrix, allowing platelets to 
adhere and be activated. Activation of platelets results in a 
dramatic shape change (from small rounded disks to flat 
plates with markedly increased surface area) & release of 
secretory granules. Within minutes the secreted products 
have recruited additional platelets (aggregation) to form a 
hemostatic plug; this is the process of primary hemostasis 

  Tissue factor is also exposed at the site of injury. Also 

known as factor III and thromboplastin, tissue factor is a 
membrane-bound procoagulant glycoprotein synthesized 
by endothelium. It acts in conjunction with factor VII , as 
the major in vivo pathway to activate the coagulation 
cascade, eventually culminating in thrombin  generation. 
Thrombin

 

cleaves circulating fibrinogen into insoluble 

fibrin, creating a fibrin meshwork deposition. Thrombin

 

also induces further platelet recruitment& granule release. 
This secondary hemostasis sequence lasts longer than the 
initial platelet plug.  

  Polymerized fibrin and platelet aggregates form a solid 

permanent plug to prevent any additional hemorrhage. At 
this stage counter-regulatory mechanisms (e.g., tissue 
plasminogen activator, t-PA
) are set into motion to limit 
the hemostatic plug to the site of injury  
 
 

  Endothelium 

Endothelial cells modulate several (and frequently 
opposing) aspects of normal hemostasis. The balance 
between endothelial anti- and prothrombotic activities 
determines whether thrombus formation, propagation, or 
dissolution occurs. At baseline, endothelial cells exhibit 
antiplatelet, anticoagulant, and fibrinolytic properties; 
however, they are capable (after injury or activation) of 
exhibiting numerous procoagulant activities It should also 
be remembered that endothelium can be activated by 
infectious agents, by hemodynamic factors, by plasma 
mediators, and (most significantly) by cytokines 

  Antithrombotic Properties 

Under most circumstances, endothelial cells maintain an 
environment that promotes liquid blood flow by blocking 
platelet adhesion and aggregation, by inhibiting the 
coagulation cascade, and by lysing blood clots.  

  Antiplatelet Effects:- 

An intact endothelium prevents platelets (and plasma 
coagulation factors) from interacting with the highly 
thrombogenic subendothelial ECM. Nonactivated platelets 
do not adhere to the endothelium, a property intrinsic to the 
plasma membrane of endothelium. Moreover, if platelets 
are activated (e.g., after focal endothelial injury), they are 
inhibited from adhering to the surrounding uninjured 
endothelium by endothelial prostacyclin (PGI

2

) and nitric 

oxide . Both mediators are potent vasodilators and 
inhibitors of platelet aggregation; their synthesis by 
endothelial cells is stimulated by several factors (e.g., 
thrombin  and cytokines) produced during coagulation. 
Endothelial cells also elaborate adenosine  diphosphatase, 
which degrades adenosine  diphosphate (ADP) and further 
inhibits platelet aggregation . 

 

  Anticoagulant Effects:- 

Anticoagulant effects are mediated by membrane-
associated, heparin-like molecules and thrombomodulin 
The heparin-like molecules act indirectly; they are 
cofactors that allow antithrombin III to inactivate 
thrombin , factor Xa, and several other coagulation 
factors. Thrombomodulin also acts indirectly; it binds to 
thrombin , converting it from a procoagulant to an 
anticoagulant capable of activating the anticoagulant 
protein C. Activated protein C, in turn, inhibits clotting by 
proteolytic cleavage of factors Va and VIIIa; it requires 
protein S, synthesized by endothelial cells, as a cofactor.  

  Fibrinolytic Properties:- 

Endothelial cells synthesize tissue plasminogen activator 
(t-PA), promoting fibrinolytic activity to clear fibrin 
deposits from endothelial surfaces  

 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

39 

  Prothrombotic Properties:- 

While endothelial cells exhibit properties that usually 
limit blood clotting, they can also become prothrombotic, 
with activities that affect platelets, coagulation proteins, 
and the fibrinolytic system. Endothelial injury results in 
platelet adhesion to subendothelial collagen; this occurs 
through von Willebrand factor (vWF), an essential 
cofactor for binding platelets to collagen and other 
surfaces. vWF (both circulating and collagen bound) is 
synthesized largely by normal endothelium. Loss of 
endothelium exposes previously deposited vWF and 
allows circulating vWF to also bind to the basement 
membrane; in quick order, platelets adhere via their 
glycoprotein Ib (GpIb) receptors  

  Cytokines such as tumor necrosis factor (TNF) or 

interleukin-1 (IL-1) as well as bacterial endotoxin all 
induce endothelial cell production of tissue factor, tissue 
factor activates the extrinsic clotting pathway. By binding 
activated IXa and Xa , endothelial cells augment the 
catalytic activities of these coagulation factors. Finally, 
endothelial cells also secrete plasminogen activator 
inhibitors (PAIs),
 which depress fibrinolysis  
 

  Platelets:- 

  Platelets play a critical role in normal hemostasis. When 

circulating and nonactivated they are membrane-bound 
smooth disks expressing several glycoprotein receptors of 
the integrin family and containing two types of granules:  

  α-Granules express the adhesion molecule P-selectin on 

their membranes and contain fibrinogen, fibronectin, 
factors V and VIII, platelet factor 4 (a heparin-binding 
chemokine), platelet-derived growth factor (PDGF), and 
transforming growth factor α (TGF-α).Dense bodies, or δ 
granules, contain adenine nucleotides (ADP and ATP), 
ionized calcium, histamine, serotonin, and epinephrine . 

  After vascular injury, platelets encounter ECM 

constituents (of which collagen is the most important) and 
additional proteins (vWF being critical) that are normally 
not exposed when the endothelial layer is intact. Upon 
contact with these proteins, platelets undergo three 
reactions: (1) adhesion and shape change, (2) secretion 
(release reaction), and (3) aggregation 
 

  Platelet Adhesion 

Adhesion to ECM is mediated largely via interactions 
with vWF acting as a bridge between platelet surface 
receptors (e.g., GpIb) and exposed collagen Although 
platelets can adhere directly to ECM, vWF-GpIb 
associations are required to overcome the high shear 
forces of flowing blood. Genetic deficiencies of vWF 

(von Willebrand disease; or its receptors result in bleeding 
disorders, highlighting the importance of these 
interactions. Conversely, failure of the normal proteolytic 
processing of vWF from high-molecular-weight 
multimers to smaller forms leads to aberrant platelet 
aggregation in the circulation; this defect in vWF 
processing causes thrombotic thrombocytopenic purpura, 
one of the so-called thrombotic microangiopathies 
 

  Secretion (Release Reaction) 

Secretion of both granule types occurs soon after adhesion. 
Various agonists can bind specific platelet surface receptors 
and initiate an intracellular phosphorylation cascade that 
leads to degranulation. Release of dense body contents is 
especially important, since calcium is required in the 
coagulation cascade and ADP is a potent mediator of 
platelet aggregation (platelets adhering to other platelets-
discussed next). ADP also begets additional platelet ADP 
release, amplifying the aggregation process. Finally, 
platelet activation increases surface expression of 
phospholipid complexes, which provide a critical nucleation 
and binding site for calcium and coagulation factors in the 
intrinsic clotting pathway 

  Platelet Aggregation  

Aggregation follows platelet adhesion and granule 
release. In addition to ADP, platelet-synthesized 
thromboxane A

2

 is also an important stimulus for platelet 

aggregation. ADP and TXA

2

 together drive an 

autocatalytic process that promotes formation of an 
enlarging platelet aggregate, the primary hemostatic plug. 
This primary aggregation is reversible. However, with 
activation of the coagulation cascade, the generation of 
thrombin  results in two processes that make an 
irreversible hemostatic plug. Thrombin  binds to a 
platelet surface receptor (protease-activated receptor, or 
PAR,; in association with ADP and TXA

2

, this interaction 

induces further platelet aggregation. Platelet contraction 
follows, creating an irreversibly fused mass of platelets 
("viscous metamorphosis") constituting the definitive 
secondary hemostatic plug. Concurrently, thrombin  
converts fibrinogen to fibrin within and about the platelet 
plug, contributing to the overall stability of the clot . 

  Both erythrocytes and leukocytes are also found in 

hemostatic plugs; leukocytes adhere to platelets and 
endothelium via adhesion molecules and contribute to the 
inflammatory response that accompanies thrombosis. 
Thrombin also contributes by directly stimulating neutrophil 
and monocyte adhesion and by generating chemotactic fibrin 
split products
 from the cleavage of fibrinogen 
 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

40 

 

  Coagulation Cascade 

The coagulation cascade constitutes the third component 
of the hemostatic process and is a major contributor to 
thrombosis. The pathways are schematically presented in 
below figure :- 
Coagulation occurs via the sequential enzymatic 
conversion of a cascade of circulating and locally 
synthesized proteins. Tissue factor elaborated at sites of 
injury is the most important initiator of the coagulation 
cascade; at the final stage of coagulation, thrombin  
converts fibrinogen into insoluble fibrin, which helps to 
form the definitive hemostatic plug.Coagulation is 
normally constrained to sites of vascular injury by: 
Limiting enzymatic activation to phospholipid complexes 
provided by activated plateletsNatural anticoagulants 
elaborated at sites of endothelial injury or during 
activation of the coagulation cascadeInduction of 
fibrinolytic pathways involving plasmin through the 
activities of various Pas. 

 

 

 

Thrombosis 

  Pathogenesis:- 

There are three primary influences on thrombus formation 
(called Virchow's triad): (1) Endothelial injury (2) stasis 
or turbulence of blood flow & (3) blood 
hypercoagulability.  

 

1-  Endothelial Injury: 

This is a dominant influence, since endothelial loss by itself 
can lead to thrombosis. It is particularly important for 
thrombus formation occurring in the heart or in the arterial 
circulation, where the normally high flow rates might 
otherwise hamper clotting by preventing platelet adhesion 
or diluting coagulation factors. Thus, thrombus formation 
within the cardiac chambers (e.g., after endocardial injury 
due to myocardial infarction), over ulcerated plaques in 
atherosclerotic arteries, or at sites of traumatic or 
inflammatory vascular injury (vasculitis) is largely a 
function of endothelial injury. Clearly, physical loss of 
endothelium leads to exposure of subendothelial ECM, 
adhesion of platelets, release of tissue factor, and local 
depletion of PGI

2

 and plasminogen activators. However, it 

is important to note that endothelium need not be denuded 
or physically disrupted to contribute to the development of 
thrombosis; any perturbation in the dynamic balance of the 
prothrombotic and antithrombotic activities of endothelium 
can influence local clotting events
 Thus, dysfunctional 
endothelium may elaborate greater amounts of 
procoagulant factors (e.g., platelet adhesion molecules, 
tissue factor, plasminogen activator inhibitors) or may 
synthesize fewer anticoagulant effectors (e.g., 
thrombomodulin, PGI

2

, t-PA). Significant endothelial 

dysfunction (in the absence of endothelial cell loss) may 
occur with hypertension, turbulent flow over scarred valves, 
or by the action of bacterial endotoxins. Even relatively 
subtle influences, such as homocystinuria, 
hypercholesterolemia, radiation, or products absorbed from 
cigarette smoke, may be sources of endothelial dysfunction. 

 

2 - Alterations in Normal Blood Flow: 

Turbulence contributes to arterial and cardiac thrombosis 
by causing endothelial injury or dysfunction, as well as by 
forming countercurrents and local pockets of stasis; stasis 
is a major contributor to the development of venous 
thrombi. Normal blood flow is laminar, such that platelets 
flow centrally in the vessel lumen, separated from the 
endothelium by a slower moving clear zone of plasma. 
Stasis and turbulence therefore: 

  Disrupt laminar flow and bring platelets into contact 

with the endothelium 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

41 

  Prevent dilution of activated clotting factors by fresh-

flowing blood 

  Retard the inflow of clotting factor inhibitors and 

permit the buildup of thrombi 

  Promote endothelial cell activation, resulting in local 

thrombosis, leukocyte adhesion, 

Turbulence and stasis contribute to thrombosis in several 
clinical settings. Ulcerated atherosclerotic plaques not 
only expose subendothelial ECM but also cause 
turbulence. Abnormal aortic and arterial dilations, called 
aneurysms, create local stasis and consequently a fertile 
site for thrombosis Acute myocardial infarction results in 
focally noncontractile myocardium; ventricular 
remodeling after more remote infarction can lead to 
aneurysm formation. In both cases cardiac mural thrombi 
form more easily because of the local blood stasis Mitral 
valve stenosis (e.g., after rheumatic heart disease) results 
in left atrial dilation. In conjunction with atrial fibrillation, 
a dilated atrium is a site of profound stasis and a prime 
location for development of thrombi. Hyperviscosity 
syndromes
 (such as polycythemia; ) increase resistance to 
flow and cause small vessel stasis; the deformed red cells 
in sickle cell anemia  cause vascular occlusions, with the 
resultant stasis also predisposing to thrombosis. 

 

3- Hypercoagulability: 

Hypercoagulability generally contributes less frequently 
to thrombotic states but is nevertheless an important 
component in the equation. It is loosely defined as any 
alteration of the coagulation pathways that predisposes to 
thrombosis, and it can be divided into primary (genetic) 
and secondary (acquired) disorders. 
Hypercoagulable States 

 

  Primary (Genetic) 

  Common 

Mutation in factor V gene (factor V Leiden) 

Mutation in prothrombin gene 

Mutation in methyltetrahydrofolate gene 

  Rare 

Antithrombin III deficiency 

Protein C deficiency 

Protein S deficiency 

  Very rare 

Fibrinolysis defects 

  Secondary (Acquired) 

  High risk for thrombosis 

Prolonged bed rest or immobilization 

Myocardial infarction 

Atrial fibrillation 

Tissue damage (surgery, fracture, burns) 

Cancer 

Prosthetic cardiac valves 

Disseminated intravascular coagulation 

Heparin-induced thrombocytopenia 

Antiphospholipid antibody syndrome (lupus 
anticoagulant syndrome) 

  Lower risk for thrombosis 

  Cardiomyopathy 

  Nephrotic syndrome 

  Hyperestrogenic states (pregnancy) 

  Oral contraceptive use 

  Sickle cell anemia 

 

 

Fate of the Thrombus:-

 

If a patient survives the initial thrombosis, in the ensuing 
days or weeks thrombi undergo some combination of the 
following four events: 

1)  Propagation. Thrombi accumulate additional platelets 

and fibrin, eventually causing vessel obstruction. 

2)  Embolization. Thrombi dislodge or fragment and are 

transported elsewhere in the vasculature. 

3)  Dissolution. Thrombi are removed by fibrinolytic activity. 
4)  Organization and recanalization. Thrombi induce 

inflammation & fibrosis (organization). These can 
eventually recanalize (re-establishing some degree of flow), 
or they can be incorporated into a thickened vessel wall. 
 

  Morphology 

Thrombi can develop anywhere in the cardiovascular 
system (e.g., in cardiac chambers, on valves, or in 
arteries, veins, or capillaries). The size and shape of a 
thrombus depend on the site of origin and the cause. 
Arterial or cardiac thrombi typically begin at sites of 
endothelial injury or turbulence; venous thrombi 
characteristically occur at sites of stasis. Thrombi are 
focally attached to the underlying vascular surface; 
arterial thrombi tend to grow in a retrograde direction 
from the point of attachment, while venous thrombi 
extend in the direction of blood flow (thus both tend to 
propagate toward the heart). The propagating portion of a 
thrombus tends to be poorly attached and therefore prone 
to fragmentation, generating an embolus


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

42 

Thrombi can have grossly (and microscopically) apparent 
laminations called lines of Zahn; these represent pale 
platelet and fibrin layers alternating with darker 
erythrocyte-rich layers. Such lines are significant only in 
that they represent thrombosis in the setting of flowing 
blood; their presence can therefore potentially distinguish 
antemortem thrombosis from the bland nonlaminated 
clots that occur in the postmortem state e. Although such 
lines are typically not as apparent in veins or smaller 
arteries (thrombi formed in sluggish venous flow usually 
resemble statically coagulated blood), careful evaluation 
generally reveals ill-defined laminations. 
Thrombi occurring in heart chambers or in the aortic 
lumen are designated mural thrombi. Abnormal 
myocardial contraction (resulting from arrhythmias, 
dilated cardiomyopathy, or myocardial infarction) or 
endomyocardial injury (caused by myocarditis, catheter 
trauma) promotes cardiac mural thrombi  . while ulcerated 
atherosclerotic plaques and aneurysmal dilation promote 
aortic thrombosis. 

 
Arterial thrombi are frequently occlusive and are 
produced by platelet and coagulation activation; they are 
typically a friable meshwork of platelets, fibrin, 
erythrocytes, and degenerating leukocytes. Although 
arterial thrombi are usually superimposed on an 
atherosclerotic plaque, other vascular injury (vasculitis, 
trauma) can be involved. 

 
Venous thrombosis (phlebothrombosis) is almost 
invariably occlusive, and the thrombus can create a long 
cast of the lumen; venous thrombosis is largely the result 
of activation of the coagulation cascade, and platelets play 
a secondary role. Because these thrombi form in the 
sluggish venous circulation, they also tend to contain 
more enmeshed erythrocytes and are therefore called red, 
or stasis, thrombi. The veins of the lower extremities are 
most commonly affected (90% of venous thromboses); 
however, venous thrombi can occur in the upper 
extremities, periprostatic plexus, or ovarian and 
periuterine veins; under special circumstances they may 
be found in the dural sinuses, portal vein, or hepatic vein. 

 
Postmortem clots can sometimes be mistaken at autopsy 
for venous thrombi. However, postmortem "thrombi" are 
gelatinous, with a dark red dependent portion where red 
cells have settled by gravity, and a yellow "chicken fat" 
supernatant, and they are usually not attached to the 
underlying wall. In contrast, red thrombi are firmer and 
are focally attached, and sectioning reveals strands of 
gray fibrin. 

 

Thrombi on heart valves are called vegetations. Bacterial 
or fungal blood-borne infections can cause valve damage, 
subsequently leading to large thrombotic masses 
(infective endocarditis,). Sterile vegetations can also 
develop on noninfected valves in hypercoagulable states, 
so-called nonbacterial thrombotic endocarditis . Less 
commonly, sterile, verrucous endocarditis (Libman-Sacks 
endocarditis) can occur in the setting of systemic lupus 
erythematosus 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

43 

Lecture 4 - Embolism 

An embolus is a detached intravascular solid, liquid, or 
gaseous mass that is carried by the blood to a site distant 
from its point of origin. Virtually 99% of all emboli 
represent some part of a dislodged thrombus, hence the 
term thromboembolism. Rare forms of emboli include fat 
droplets, bubbles of air or nitrogen, atherosclerotic debris 
(cholesterol emboli), tumor fragments, bits of bone 
marrow, or foreign bodies such as bullets. However, 
unless otherwise specified, an embolism should be 
considered to be thrombotic in origin. Inevitably, emboli 
lodge in vessels too small to permit further passage, 
resulting in partial or complete vascular occlusion. The 
consequences of thromboembolism include ischemic 
necrosis (infarction) of downstream tissue. Depending on 
the site of origin, emboli may lodge anywhere in the 
vascular tree; the clinical outcomes are best understood 
from the standpoint of whether emboli lodge in the 
pulmonary or systemic circulations.  
 

Pulmonary Thromboembolism 

  Pulmonary embolism has an incidence of 20 to 25 per 

100,000 hospitalized patients. Although the rate of fatal 
pulmonary emboli (as assessed at autopsy) has declined 
from 6% to 2% over the last quarter century, pulmonary 
embolism still causes about 200,000 deaths per year in the 
United States. In more than 95% of cases, venous emboli 
originate from deep leg vein thrombi above the level of 
the knee . They are carried through progressively larger 
channels and pass through the right side of the heart 
before entering the pulmonary vasculature. Depending on 
the size of the embolus, it may occlude the main 
pulmonary artery, impact across the bifurcation (saddle 
embolus
), or pass out into the smaller, branching 
arterioles . Frequently, there are multiple emboli, perhaps 
sequentially, or as a shower of smaller emboli from a 
single large thrombus; in general, the patient who has had 
one pulmonary embolus is at high risk of having more.
 
Rarely, an embolus can pass through an interatrial or 
interventricular defect, thereby entering the systemic 
circulation (paradoxical embolism). 

  Most pulmonary emboli (60% to 80%) are clinically silent 

because they are small. They eventually become 
organized and become incorporated into the vascular 
wall; in some cases, organization of the thromboembolus 
leaves behind a delicate, bridging fibrous web.Sudden 
death, right ventricular failure (cor pulmonale), or 
cardiovascular collapse occurs when 60% or more of the 

pulmonary circulation is obstructed with emboli. Embolic 
obstruction of medium-sized arteries can cause pulmonary 
hemorrhage but usually not pulmonary infarction because 
the lung has a dual blood supply and the intact bronchial 
arterial circulation continues to supply blood to the area. 
However, a similar embolus in the setting of left-sided 
cardiac failure (and resultant sluggish bronchial artery 
blood flow) may result in a large infarct. Embolic 
obstruction of small end-arteriolar pulmonary branches 
usually does result in associated infarction. Many emboli 
occurring over a period of time may cause pulmonary 
hypertension with right ventricular failure 

 

 

Systemic Thromboembolism 

Systemic thromboembolism refers to emboli in the 
arterial circulation. Most (80%) arise from intracardiac 
mural thrombi, two-thirds of which are associated with 
left ventricular wall infarcts and another quarter with 
dilated left atria (e.g., secondary to mitral valve disease). 
The remainder originate from aortic aneurysms, thrombi 
on ulcerated atherosclerotic plaques, or fragmentation of 
valvular vegetations . A very small fraction of systemic 
emboli appear to arise in veins but end up in the arterial 
circulation, through interventricular defects. These are 
called paradoxical emboli. In contrast to venous emboli, 
which tend to lodge primarily in one vascular bed (the 
lung), arterial emboli can travel to a wide variety of sites; 
the site of arrest depends on the point of origin of the 
thromboembolus and the relative blood flow through the 
downstream tissues. The major sites for arteriolar 
embolization are the lower extremities (75%) and the 
brain (10%), with the intestines, kidneys, and spleen 
affected to a lesser extent. The consequences of 
embolization in a tissue depend on vulnerability to 
ischemia, caliber of the occluded vessel, and the collateral 
blood supply; in general, arterial embolization causes 
infarction of the affected tissues. 
 

Fat Embolism 

  Microscopic fat globules can be found in the circulation 

after fractures of long bones (which contain fatty marrow) 
or after soft-tissue trauma. Fat enters the circulation by 
rupture of the marrow vascular sinusoids or rupture of 
venules in injured tissues. Although fat and marrow 
embolism occurs in some 90% of individuals with severe 
skeletal injuries, fewer than 10% of such patients show any 
clinical findings. Fat embolism syndrome is characterized 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

44 

by pulmonary insufficiency, neurologic symptoms, anemia, 
and thrombocytopenia; it is fatal in about 10% of cases.
 
Typically, the symptoms appear 1 to 3 days after injury, 
with sudden onset of tachypnea, dyspnea, and tachycardia. 
Neurologic symptoms include irritability and restlessness, 
with progression to delirium or coma. 

  The pathogenesis of fat emboli syndrome probably 

involves both mechanical obstruction and biochemical 
injury. Fat microemboli occlude pulmonary and cerebral 
microvasculature; vascular occlusion is aggravated by 
local platelet and erythrocyte aggregation. This pathology 
is further exacerbated by free fatty acid release from the 
fat globules, causing local toxic injury to endothelium. 
Platelet activation and recruitment of granulocytes (with 
free radical, protease, and eicosanoid release complete the 
vascular assault. Because lipids are dissolved out of tissue 
preparations by the solvents routinely used in paraffin 
embedding, the microscopic demonstration of fat 
microglobules (i.e., in the absence of accompanying 
marrow) typically requires specialized techniques, 
including frozen sections and fat stains. 
 

Air Embolism 

  Gas bubbles within the circulation can obstruct vascular 

flow (and cause distal ischemic injury) almost as readily as 
thrombotic masses can. Air may enter the circulation during 
obstetric procedures or as a consequence of chest wall 
injury. Generally, more than 100 mL of air are required to 
produce a clinical effect; bubbles can coalesce to form 
frothy masses sufficiently large to occlude major vessels.  

  A particular form of gas embolism, called decompression 

sickness, occurs when individuals are exposed to sudden 
changes in atmospheric pressure. Scuba and deep-sea 
divers, and underwater construction workers are at risk. 
When air is breathed at high pressure (e.g., during a deep-
sea dive), increased amounts of gas (particularly nitrogen) 
become dissolved in the blood and tissues. If the diver 
then ascends (depressurizes) too rapidly, the nitrogen 
expands in the tissues and bubbles out of solution in the 
blood to form gas emboli that can induce focal ischemia 
in a number of tissues, including brain and heart. The 
rapid formation of gas bubbles within skeletal muscles 
and supporting tissues in and about joints is responsible 
for the painful condition called the bends (so named in the 
1880s because afflicted individuals characteristically 
arched their backs in a manner reminiscent of a then-
popular women's fashion called the Grecian Bend). In the 
lungs, gas bubbles in the vasculature cause edema, 
hemorrhages, and focal atelectasis or emphysema, leading 

to respiratory distress, called the chokes. A more chronic 
form of decompression sickness is called caisson disease, 
where persistence of gas emboli in the bones leads to 
multiple foci of ischemic necrosis; the heads of the 
femurs, tibias, and humeri are most commonly affected. 
Treating acute decompression sickness requires placing 
the affected individual in a compression chamber to 
increase barometric pressure and force the gas bubbles 
back into solution. Subsequent slow decompression 
theoretically permits gradual resorption and exhalation of 
the gases so that obstructive bubbles do not re-form. 
 

Amniotic Fluid Embolism:- 

Amniotic fluid embolism is a grave but fortunately 
uncommon complication of labor and the immediate 
postpartum period (1 in 50,000 deliveries). It has a 
mortality rate in excess of 20% to 40%. The onset is 
characterized by sudden severe dyspnea, cyanosis, and 
hypotensive shock, followed by seizures and coma. If the 
patient survives the initial crisis, pulmonary edema 
typically develops, along with (in half the patients) 
disseminated intravascular coagulation (DIC), due to 
release of thrombogenic substances from amniotic fluid. 
The underlying cause is entry of amniotic fluid (and its 
contents) into the maternal circulation via a tear in the 
placental membranes and rupture of uterine veins. 
Classically, there is marked pulmonary edema and diffuse 
alveolar damage with the pulmonary microcirculation 
containing squamous cells shed from fetal skin, lanugo 
hair, fat from vernix caseosa, and mucin derived from the 
fetal respiratory or gastrointestinal tracts. Systemic fibrin 
thrombi indicate the onset of DIC. 
 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

45 

Lecture 5 – Infarction & Shock 
Infarction 

  An infarct is an area of ischemic necrosis caused by 

occlusion of either the arterial supply or the venous 
drainage in a particular tissue. Tissue infarction is a 
common and extremely important cause of clinical illness. 
More than half of all deaths in the United States are 
caused by cardiovascular disease, and most of these are 
attributable to myocardial or cerebral infarction. 
Pulmonary infarction is a common complication in 
several clinical settings, bowel infarction is frequently 
fatal, and ischemic necrosis of the extremities (gangrene) 
is a serious problem in the diabetic population. 

  Nearly 99% of all infarcts result from thrombotic or 

embolic events, and almost all result from arterial 
occlusion. Occasionally, infarction may also be caused by 
other mechanisms, such as local vasospasm, expansion of 
an atheroma secondary to intraplaque hemorrhage, or 
extrinsic compression of a vessel (e.g., by tumor). 
Uncommon causes include vessel twisting (e.g., in 
testicular torsion or bowel volvulus), vascular compression 
by edema or entrapment in a hernia sac, or traumatic vessel 
rupture. Although venous thrombosis can cause infarction, 
it more often merely induces venous obstruction and 
congestion. Usually, bypass channels open rapidly after the 
occlusion forms, providing some outflow from the area 
that, in turn, improves the arterial inflow. Infarcts caused by 
venous thrombosis are more likely in organs with a single 
venous outflow channel (e.g., testis and ovary).  
 

  Morphology  

  Infarcts are classified on the basis of their color (reflecting 

the amount of hemorrhage) & the presence or absence of 
microbial infection. Therefore, infarcts may be either red 
(hemorrhagic) or white (anemic) & may be either septic or 
bland. 

 

Red infarcts 

occur (1) with venous occlusions (such as in 

ovarian torsion); (2) in loose tissues (such as lung) that 
allow blood to collect in the infarcted zone; (3) in tissues 
with dual circulations such as lung and small intestine, 
permitting flow of blood from an unobstructed parallel 
supply into a necrotic area (such perfusion not being 
sufficient to rescue the ischemic tissues); (4) in tissues that 
were previously congested because of sluggish venous 
outflow; (5) when flow is re-established to a site of 
previous arterial occlusion & necrosis (e.g., fragmentation 
of an occlusive embolus or angioplasty of a thrombotic 
lesion). 

 

White infarcts 

occur with arterial occlusions or in solid 

organs (such as heart, spleen, and kidney), where the 
solidity of the tissue limits the amount of hemorrhage that 
can seep into the area of ischemic necrosis from adjoining 
capillary beds. 

  All infarcts tend to be wedge shaped, with the occluded 

vessel at the apex and the periphery of the organ forming 
the base, when the base is a serosal surface there can be 
an overlying fibrinous exudate. At the outset, all infarcts 
are poorly defined and slightly hemorrhagic. The margins 
of both types of infarcts tend to become better defined 
with time by a narrow rim of congestion attributable to 
inflammation at the edge of the lesion. 
 

  Factors that influence development of an infarct  

Vascular occlusion can have no or minimal effect, or can 
cause death of a tissue or even the individual. The major 
determinants of the eventual outcome include the nature 
of the vascular supply, the rate of development of the 
occlusion, vulnerability to hypoxia, and the oxygen 
content of blood
 

  Nature of the Vascular Supply  

The availability of an alternative blood supply is the most 
important determinant of whether occlusion of a vessel will 
cause damage. For example, as mentioned above, lungs 
have a dual pulmonary and bronchial artery blood supply; 
thus, obstruction of small pulmonary arterioles does not 
cause infarction in an otherwise healthy individual with an 
intact bronchial circulation. Similarly, the liver, with its 
dual hepatic artery and portal vein circulation, and the hand 
and forearm, with their dual radial and ulnar arterial supply, 
are all relatively resistant to infarction. In contrast, renal 
and splenic circulations are end-arterial, and obstruction of 
such vessels generally causes infarction. 

  Rate of Development of Occlusion  

Slowly developing occlusions are less likely to cause 
infarction because they provide time for the development 
of alternative perfusion pathways. For example, small 
interarteriolar anastomoses-normally with minimal 
functional flow-interconnect the three major coronary 
arteries in the heart. If one of the coronaries is slowly 
occluded (e.g., by an encroaching atherosclerotic plaque), 
flow within this collateral circulation may increase 
sufficiently to prevent infarction, even though the major 
coronary artery is eventually occluded. 

  Vulnerability to Hypoxia  

The susceptibility of a tissue to hypoxia influences the 
likelihood of infarction. Neurons undergo irreversible 
damage when deprived of their blood supply for only 3 to 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

46 

4 minutes. Myocardial cells, though hardier than neurons, 
are also quite sensitive and die after only 20 to 30 minutes 
of ischemia. In contrast, fibroblasts within myocardium 
remain viable after many hours of ischemia. 

  Oxygen Content of Blood  

The partial pressure of oxygen in blood also determines 
the outcome of vascular occlusion. Partial flow 
obstruction of a small vessel in an anemic or cyanotic 
patient might lead to tissue infarction, whereas it would be 
without effect under conditions of normal oxygen tension. 
In this way congestive heart failure, with compromised 
flow and ventilation, could cause infarction in the setting 
of an otherwise inconsequential blockage.  

 
Shock 

Shock is the final common pathway for a number of 
potentially lethal clinical events, including severe 
hemorrhage, extensive trauma or burns, large myocardial 
infarction, massive pulmonary embolism, and microbial 
sepsis. Regardless of the underlying pathology, shock 
gives rise to systemic hypoperfusion; it can be caused 
either by reduced cardiac output or by reduced effective 
circulating blood volume. The end results are 
hypotension, impaired tissue perfusion, and cellular 
hypoxia.
 Although the hypoxic and metabolic effects of 
hypoperfusion initially cause only reversible cellular 
injury, persistence of shock eventually causes irreversible 
tissue injury and can culminate in the death of the patient. 

There are three general categories of shock

cardiogenic, hypovolemic, and septic (Table 4-3). The 
mechanisms underlying cardiogenic and hypovolemic 
shock are fairly straightforward; septic shock is 
substantially more complicated and is discussed in further 
detail below. 

1)  Cardiogenic shock results from failure of the cardiac 

pump. This may be caused by myocardial damage 
(infarction), ventricular arrhythmias, extrinsic 
compression (cardiac tamponade, Chapter 11), or outflow 
obstruction (e.g., pulmonary embolism). 

2)  Hypovolemic shock results from loss of blood or plasma 

volume. This may be caused by hemorrhage, fluid loss 
from severe burns, or trauma. 

3)  Septic shock is caused by microbial infection. Most 

commonly this occurs in the setting of gram-negative 
infections (endotoxic shock), but it can also occur with 
gram-positive and fungal infections. Notably, there need 
not be systemic bacteremia to induce septic shock; host 

inflammatory responses to local extravascular infections 
may be sufficient (see below).  

 

  Less commonly, shock may occur in the setting of an 

anesthetic accident or a spinal cord injury (neurogenic 
shock
), as a result of loss of vascular tone and peripheral 
pooling of blood. Anaphylactic shock represents systemic 
vasodilation and increased vascular permeability caused by 
an immunoglobulin E hypersensitivity reaction (Chapter 5). 
In these situations, acute severe widespread vasodilation 
results in tissue hypoperfusion & cellular anoxia. 
 

Pathogenesis of Septic Shock 

 

  With a 25% to 50% mortality rate, septic shock ranks first 

among the causes of death in intensive care units and 
accounts for more than 200,000 deaths annually in the 
United States. Moreover, the continuing increase in the 
incidence of sepsis syndromes is attributable to improved 
life support for high-risk patients, an increase in invasive 
procedures, and the growing numbers of 
immunocompromised hosts (secondary to chemotherapy, 
immunosuppression, or infection with the human 
immunodeficiency virus). Septic shock results from the 
host innate immune response to infectious organisms that 
may be blood borne or localized to a particular site. 

  Most cases of septic shock (approximately 70%) are 

caused by endotoxin-producing gram-negative bacilli 
(Chapter 9)-hence the term endotoxic shock. Endotoxins 
are bacterial wall lipopolysaccharides (LPS) consisting of 
a toxic fatty acid (lipid A) core common to all gram-
negative bacteria, and a complex polysaccharide coat 
(including O antigen) unique for each species. Analogous 
molecules in the walls of gram-positive bacteria and fungi 
can also elicit septic shock. 

  All of the cellular and hemodynamic effects of septic shock 

can be reproduced by LPS injection alone. Free LPS 
attaches to a circulating LPS-binding protein, and the 
complex then binds to a specific receptor (CD14) on 
monocytes, macrophages, and neutrophils. Engagement of 
CD14 (even at doses as minute as 10 pg/mL) results in 
intracellular signaling via an associated "Toll-like receptor" 
protein 4 (TLR-4), resulting in profound activation of 
mononuclear cells and production of potent effector 
cytokines such as IL-1 and TNF (Chapter 2). These 
cytokines act on endothelial cells and have a variety of 
effects including reduced synthesis of anticoagulation 
factors such as tissue factor pathway inhibitor & thrombo-
modulin (see Fig. 4-7). The effects of the cytokines may be 
amplified by TLR-4 engagement on endothelial cells. 


background image

Unit 3: Hemodynamic Disorders, Thromboembolism, and Shock

 

 

 

47 

  TLR-mediated activation helps to trigger the innate 

immune system to efficiently eradicate invading microbes 
(Chapter 5). Unfortunately, depending on the dosage and 
the extent of immune and vascular activation, the 
secondary effects of LPS release can also cause severe 
pathologic changes, including fatal shock. 

  At low doses, LPS predominantly activates monocytes, 

macrophages, and neutrophils; it can also directly activate 
complement, thereby contributing to local eradication of 
bacteria. Mononuclear phagocytes respond to LPS by 
producing TNF, which in turn induces IL-1 synthesis. 
Both TNF and IL-1 act on endothelial cells (and other cell 
types) to produce additional cytokines (e.g., IL-6 and IL-
8) and induce adhesion molecules (Chapter 2). Thus, the 
initial release of LPS results in a circumscribed cytokine 
cascade that enhances the local acute inflammatory 
response and improves clearance of the infection. 

  With moderately severe infections, and therefore with 

higher levels of LPS (and a consequent augmentation of 
the cytokine cascade), cytokine-induced secondary 
effectors (e.g., nitric oxide  and platelet-activating factor; 
Chapter 2) become significant. In addition, systemic 
effects of TNF and IL-1 may begin to be seen, including 
fever, increased synthesis of acute-phase reactants, and 
increased production of circulating neutrophils (see Fig. 
4-21). Higher LPS levels tip the endothelium toward a net 
procoagulant phenotype. 

  Finally, at still higher levels of LPS, the syndrome of 

septic shock supervenes (see Fig. 4-21); the same 
cytokine and secondary mediators, now at high levels, 
result in  Systemic vasodilation (hypotension)Diminished 
myocardial contractilityWidespread endothelial injury and 
activation, causing systemic leukocyte adhesion and 
diffuse alveolar capillary damage in the lung (Chapter 
13)Activation of the coagulation system, culminating in 
disseminated intravascular coagulation (DIC) 

  The hypoperfusion resulting from the combined effects of 

widespread vasodilation, myocardial pump failure, and 
DIC causes multiorgan system failure that affects the 
liver, kidneys, and central nervous system, among others. 
Unless the underlying infection (and LPS overload) is 
rapidly brought under control, the patient usually dies. In 
some experimental animal models, soluble CD14, 
antibodies to LPS-binding proteins, or pharmacologic 

inhibitors of the secondary mediators (e.g., nitric oxide  
synthesis) have demonstrated some efficacy in protecting 
against septic shock. Unfortunately, these interventions 
have not yet proved of significant clinical benefit in 
patients, perhaps because many different pathways and 
mediators are activated by LPS. 

  An interesting group of bacterial proteins called 

superantigens also causes a syndrome similar to septic 
shock (e.g., toxic shock syndrome toxin 1, responsible for 
the toxic shock syndrome). Superantigens are polyclonal 
T-lymphocyte activators that induce systemic 
inflammatory cytokine cascades similar to those that 
occur in response to LPS. Their actions can result in a 
variety of clinical manifestations ranging from a diffuse 
rash to vasodilation, hypotension, and death. 

Stages of Shock 

  An initial nonprogressive stage during which reflex 

compensatory mechanisms are activated and perfusion of 
vital organs is maintained 

  A progressive stage characterized by tissue hypoperfusion 

and onset of worsening circulatory and metabolic 
imbalances 

  An irreversible stage that sets in after the body has incurred 

cellular and tissue injury so severe that even if the 
hemodynamic defects are corrected, survival is not possible  
 

Morphology 

The cellular and tissue changes induced by shock are 
essentially those of hypoxic injury (Chapter 1), due to some 
combination of hypoperfusion and microvascular thrombosis. 
Since shock is characterized by failure of many organ 
systems
, the cellular changes may appear in any tissue. 
Nevertheless, they are particularly evident in the brain, heart, 
kidneys, adrenal glands, and gastrointestinal tract. Fibrin 
thrombi may be identified in virtually any tissue, although 
they are usually most readily visualized in kidney glomeruli. 
The adrenal changes in shock are those seen in all forms of 
stress; essentially there is cortical cell lipid depletion. This 
reflects not adrenal exhaustion but instead conversion of the 
relatively inactive vacuolated cells to metabolically active 
cells that use stored lipids for the synthesis of steroids. The 
kidneys typically reveal acute tubular necrosis (Chapter 14) 
so that oliguria, anuria, and electrolyte disturbances dominate 
the clinical picture. The gastrointestinal tract may mainfest 
focal mucosal hemorrhage and necrosis. The lungs are 
seldom affected in pure hypovolemic shock, because they are 
somewhat resistant to hypoxic injury. However, when shock 
is caused by bacterial sepsis or trauma, changes of diffuse 
alveolar damage
 may develop, the so-called shock lung. 
With the exception of neuronal and myocyte ischemic loss, 
virtually all tissues may revert to normal if the patient 
survives. Unfortunately, most patients with irreversible 
changes due to severe shock die before the tissues can 
recover. 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 195 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل