background image

Lect. 14 
 

The microcirculation and the lymphatic system 

Objectives: 

1.  State (with the aid of diagram) the basic structure of a precapillary 

sphincter and a capillary.  

2.  Define the term oncotic (colloid osmotic) pressure and state how it 

is conferred to plasma. 

3.  State and explain briefly the effects on tissue fluid formation in a 

vascular  bed  of:  altered  capillary  hydrostatic  pressure,  decreased 
plasma  protein  concentration,  elevated  central  venous  pressure, 
increased  capillary  permeability,  and  obstruction  of  lymph 
drainage. 

4.  Define the term edema. 
 

 
Structure of the microcirculation: 
The arterioles divide into smaller vessels called  metarterioles and true 
capillaries arise from both the arterioles and metarterioles. The openings 
of  the  true  capillaries  are  surrounded  by  minute  smooth  muscles  called 
precapillary sphincters which respond well to various stimuli. 
Capillaries  are  generally  made  up  of  a  single  layer  of  endothelial  cells 
surrounded  by  a  basement  membrane  and  special  cells  called  pericytes, 
which  are  contractile  cells  and  also  release  many  vasoactive  agents. 
Capillaries are divided into 3 main types: 
1-Continuous capillaries (in all muscles and the brain):  

In  this  type,  the  edges  of  the  endothelial  cells  interdigitate  forming 
intercellular 
clefts  (slit  pores)  between  the  cells.  These  pores  generally  permit 
passage  of  molecules.  However,  their  size  varies  widely  in  different 
regions e.g. they are much smaller in the brain than in skeletal muscles; 
helps the development of a blood brain barrier. 

2-Fenestrated  capillaries  (in  the  kidneys,  intestinal  villi  and  most 

endocrine glands):  

    In this type, the cytoplasm of the endothelial cells itself is interrupted, 

forming  gaps  called  fenestrations  that    are  closed  by  thin  membranes 
(except  in  the  renal  glomeruli)  and  permit  passage  of  relatively  large 
molecules. 

3-Sinusoidal  capillaries  (in  the  liver,  spleen  and  bone  marrow):  In  this 

type,  the  capillaries  (which  are  called  sinusoids)  have  very  wide 
lumens and are extremely porous because;  

  Their endothelium is discontinuous.  

  There  are  large  gaps  between  the  endothelial  cells  that  are  not 


background image

closed by membranes. 

 

 
 

 

 

 


background image

 

 

 
 
Trans-capillary exchange mechanisms: 

The transport of fluids across the capillary walls occurs by the following 
mechanisms 
Diffusion:  
This is the process by which a substance in solution expands to fill all of 
the  available  volume.  It  occurs  down  a  concentration  gradient  i.e. 
substances  diffuse  from  areas  of  high  to  areas  of  low  concentration. 
Water  and  water-soluble  substances  (e.g.  glucose,  urea,  Na

+

,  Cl

-

  &  K

+

diffuse  only  through  the  slit  pores  and  fenestrae  and  their  rates  of 
diffusion  are  inversely  proportionate  to  their  molecular  sizes.  On  the 
other hand, fat-soluble substances diffuse across the whole capillary wall 
i.e. through the pores as well as the cytoplasm of the capillary endothelial 
cells  (since  they  dissolve  in  the  phospholipid  bilayer  of  the  endothelial 
cell  membranes),  thus  the  diffusion  of  fat-soluble  substances  and  gases 
(e.g.  O

and  CO

2

)  is  normally  greater  and  faster  than  water-soluble 

substances. 
Filtration:  
This  is  the  process  by  which  fluid  and  dissolved  solutes  are  forced 
through  the  pores  in  the  capillary  membrane  due  to  a  difference  in 
hydrostatic pressure on the two sides, and the amount of fluid filtered per 
unit time is proportionate to:  
(a) The difference in pressure.  
(b) The capillary surface area and permeability. 


background image

The force of filtration is opposed by the force of osmosis, and both forces 
are concerned with the bulk flow of fluids and solutes across the capillary 
walls through formation and drainage of the interstitial fluid. 
Transcytosis:  
This is the mechanism of transport of large molecules across the capillary 
membrane.  These  molecules  are  transported  through  the  capillaries  by 
endocytosis  into  their  lining  endothelial  cells  followed  by  exocytosis  at 
the  interstitial  side  of  these  cells.  Small  amounts  of  protein  leave  blood 
stream to interstitial fluid by this mechanism. 
Diapedesis:  
This  is  the  mechanism  of  transport  of  a  whole  cell  across  the  capillary 
membrane  e.g.  leukocytes  leave  the  bloodstream  toward  areas  of 
inflammation by this mechanism.  
 
Formation and drainage of the interstitial fluid: 
The spaces between the tissue cells are called the interstitium It consists 
of  thick  bundles  of  collagen  fibres  and  thin  filaments  formed  of 
hyaluronic acid and protein,    as well as a fluid known as  the tissue or 
interstitial  fluid  (IF).  The  IF  is  continuously  formed  and  drained  by  the 
capillaries,  and  it  contains  almost  the  same  constituents  of  the  plasma 
except the plasma proteins.  
Factors that affect tissue fluid formation and drainage:    

  The  Starling's  forces  (the  hydrostatic  and  osmotic  forces  that  act 

across the capillary walls) 

  The capillary permeability. 

 

 
 
The Starling's forces: 
1-The hydrostatic capillary pressure (hcp):  

This  forces  fluid  outwards  through  the  capillary  membranes  into  the 
interstitial spaces, and it normally averages 35 mmHg at the arteriolar 
ends of capillaries and 12 mmHg at their venular ends. 

2-The interstitial fluid pressure (ifp):  

This  forces  fluid  inwards  through  the  capillary  membranes,  and  it 
normally averages 1 mmHg. 

3-The plasma colloid osmotic pressure or oncotic pressure (pop):  

This is produced mainly by plasma albumin. It averages 25 mmHg and 
it 
causes osmosis of fluid inwards through the capillary membranes. 

4-The interstitial fluid colloid osmotic pressure (ifop):  


background image

This  causes  osmosis  of  fluid  outwards  through  the  capillary 
membranes  into  the  interstitial  spaces,  and  it  normally  averages  3 
mmHg. 

 
The (hcp) and (ifop) favour fluid filtration from the capillaries while the 
(pop) and (ifp) favour fluid reabsorption into the capillaries. Considering 
the  balance  of  the  Starling's  forces  at  both  ends  of  the  capillaries,  it  is 
clear  that  at  their  arteriolar  ends,  the  filtering  forces  exceed  the 
reabsorbing forces by about 12 mmHg [(35 + 3)  - (25 + 1)] resulting in 
fluid filtration, while at their venular ends, the reabsorbing forces exceed 
the filtering forces by about 11 mmHg [(25 + 1)  - (12 + 3)] resulting in 
fluid reabsorption. 
It was proved that the interstitial fluid pressure (ifp) is negative in certain 
areas e.g. the subcutaneous  tissues (-2 to  -3 mmHg), and  in this case, it 
favours fluid filtration rather than reabsorption. 
 

 

                                
Figure:
 Fluid pressure and colloid osmotic pressure forces operate at the 
capillary  membrane,  tending  to  move  fluid  either  outward  or  inward 
through the membrane pores. 
 
 
 
 
 
 
 
THE LYMPH CIRCULATION  
This circulation is concerned with return of the excess tissue fluid that is 
not  reabsorbed  at  the  capillaries  back  to  the  bloodstream.  This  fluid  is 
called lymph, and it is similar to the plasma (being an isotonic colourless 
transparent fluid having a pH of 7.4) but it contains less protein and Ca

+2

 

and  has  a  higher  A/G  ratio  (Albumin/Globulin  ratio)  since  albumin  is 
more easily filtered.  Its average protein content is 3 gm %, but it varies 


background image

in different organs and it clots (as it contains fibrinogen and prothrombin) 
and is rich in lymphocytes. 
Lymph circulates in non-innervated vessels that form a lymphatic system. 
This  system  originates  as  minute  lymphatic  capillaries  in  the  tissues 
(which  are  highly-permeable  blind  vessels  lined  by  a  single  layer  of 
endothelial cells) that drain the excess tissue fluid. These capillaries unite 
forming larger lymphatic vessels, which drain in the  thoracic and right 
lymph  ducts
  that  open  in  the  subclavian  veins  at  the  base  of  the  neck. 
The lymph  nodes  are  located  along  the  course  of  the  lymphatic  vessels, 
and  such  vessels  have  smooth  muscle  in  their  walls  and  contain  valves 
that allow unidirectional flow toward their central end. 
 
EDEMA  
  
This  is  fluid  accumulation  in  tissues,  which  is  either  intra  or  extra-
cellular.  
Intracellular edema: 
This is a non-pitting edema that is produced as a result of either: 

  Depression  of  the  cell  membrane  metabolic  activity  e.g.  due  to 

ischemia.  In this case, the lack of O

2

 and nutrients depress the Na

+

 

pump 

mechanism 

and the excess Na

+

 inside the cells causes osmosis of water into the 

cells. 

  Inflammation:  This  increases  the  cell  membrane  permeability, 

allowing  Na

+

  and  other  ions  to  diffuse  into  the  cells  with 

subsequent water osmosis. 

Extracellular edema: 
This is a pitting edema (i.e. pressing the skin by the finger produces a pit) 
except  in  cases  of  chronic  lymphedema.  It  is  due  to  accumulation  of 
excessive  amounts  of  interstitial  fluid  (mostly  in  the  dependent  parts  of 
the body by the effect of gravity), and this has 2 main causes: 
1- Excessive leakage of fluid from the capillaries. 

This is produced by an increase of fluid filtration or a decrease of fluid 
reabsorption at the capillaries or both, which often occur due to either: 

  An increase of the capillary hydrostatic pressure: This  occurs due 

to either elevation of the venous pressure (e.g. due to heart failure, 
venous obstruction) or arteriolar V.D. (e.g. by vasodilator drugs). 

  Hypoproteinaemia:  This  decreases  the  plasma  colloid  osmotic 

pressure 
which  reduces  tissue  fluid  reabsorption.  It  occurs  due  to  either  a 
decrease 

of 

synthesis  of  plasma  proteins  (e.g.  in  severe  liver  disease  and 
undernutrition) 
or  excessive  loss  of  plasma  proteins  (commonly  in  the  urine  in 


background image

cases 

of 

the 

nephrotic syndrome, or from damaged skin areas in cases of severe 
burns). 

 

  An  increase  of  capillary  permeability:  This  increases  filtration  of 

both tissue fluid and proteins (the latter farther increases filtration 
by  increasing  the  osmotic  pressure  of  the  interstitial  fluid).  It 
occurs  due  to  either  inflammation,  bacterial  infections,  allergic 
reactions  (due  to  release  of  histamine),  prolonged  ischemia  and 
certain  toxins,  vitamin  deficiency  (especially  vitamin  C)  and 
excessive heat or cold. 

  Excessive retention of salt in the body: This is an important factor 

in the production of renal and cardiac edema.  

2- Inadequate lymph drainage. 

This  occurs  due  to  blockage  of  the  lymph  vessels,  which  leads  to 
accumulation of both fluid and protein in the tissue spaces (the latter 
also increases fluid filtration by increasing the osmotic pressure of the 
interstitial  fluid).  The  condition  is  called  lymphedema,  and  if  it 
persists,  it  causes  a  chronic  inflammatory  condition  that  leads  to 
fibrosis of the interstitial tissue, and the edema becomes non-pitting. 
It often occurs in cancer, after certain surgical operations (e.g. radical 
mastectomy) and by infection with filaria worms. The latter obstruct 
the  lymphatics,  causing  massive  swelling  of  the  affected  organ 
(commonly  the  legs  or  scrotum),                              a  condition  known  as 
elephantiasis. 

 
Safety factors against production of edema: 
Normally, the following 3 factors prevent occurrence of edema: 
(1) Low compliance of the subcutaneous interstitium. 

The  negative  interstitial  fluid  hydrostatic  pressure  in  subcutaneous 
tissues  holds  these  tissues  together  and  makes  compliance  (their 
distensibility) to be low. Accordingly, small increases in tissue fluid 
volume cause large increases in hydrostatic pressure of the interstitial 
fluid,  which  opposes  further  fluid  filtration  and  also  increases  the 
lymph flow; both effects prevent development of edema. 

(2) Increasing the lymph flow. 

The  lymph  flow  can  increase  10  -  50  folds  when  fluid  begins  to 
accumulate  in  the  tissue  spaces.  This  removes  large  amounts  of  the 
interstitial  fluid  and  maintains  the  low  compliance  state  of  the 
subcutaneous  interstitium,  and  both  effects  prevent  development  of 
edema. 

 (3) Washdown of interstitial fluid protein. 


background image

The  increased  lymph  flow  often  results  in  reduction  of  the  protein 
concentration in the interstitial fluid because the amount removed is 
usually  greater  than  that  filtered  by  the  blood  capillaries.  
Accordingly, the osmotic pressure of the interstitial fluid is decreased, 
which lowers the net filtration force across the capillaries and tends to 
prevent further accumulation of fluid. 

 
The efficiency of the 3 edema safety factors is estimated by finding how 
much can the average capillary hydrostatic pressure increase above nor-
mal  before  edema  occurs.  Normally,  it  is  about  17  mmHg  (i.e.  the 
capillary  hydrostatic  pressure  can  raise  by  17  mmHg  before  significant 
edema occurs). 
 
>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
>>>>>>> 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 164 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