background image

CHAPTER TWO 

PATHOLOGY OF THE REPIRATORY SYSTEM 

THE UPPER RESPIRATORY TRACT 

 
Allergic nasal polyp 

  Not true neoplasms. They are associated with inflammation and allergy. Generally, they 

are multiple (bunch of grapes), and nearly always bilateral. 

Microscopically: 

  composed of loose mucoid stroma and mucous glands covered by respiratory epithelium 

which  often  shows  foci  of  squamous  metaplasia.  They  are  infiltrated  by  lymphocytes, 
plasma cells, mast cells, neureophils and eosinophils. 

 
Benign tumors of the Nose and Nasal Cavity: 
ANGIOFIBROMA 

  It occurs almost exclusively in males. It is androgen dependent. 
  It presents as polypoidal mass that bleeds severely on manipulation. 

Microscopically: 

  Composed of matrix of blood vessels and fibrous tissue stroma which may be loose and 

edematous or dense acellular and highly collagenized. 

  The vessels range from capillary size which are particularly common at the growing edge 

of the tumor, they have got plump endothelial cells.  

Larger venous size vessels are located at the base of the lesion. 
 

Malignant Tumors:  

NASOPHARYNGEAL CARCINOMA 
This rare neoplasm has a strong epidemiologic links to EBV & a high frequency in China. These 
facts  raise  the  possibility  of  viral  oncogenesis  on  a  background  of  genetic  susceptibility.  The 
cancers are either squamous cell carcinoma (keratinizing or nonkeratinizing) or undifferentiated 
carcinoma.  The  latter  is  the  most  common  and  the  one  most  closely  linked  with  EBV.  In 
nasopharyngeal  carcinomas  a  striking  infiltration  of  mature  lymphocytes  can  often  be  seen. 
These  neoplasms  are  therefore  referred  to  as  "lymphoepitheliomas,"  although  the  lymphocytes 
are  not  part  of  the  neoplastic  process.  Nasopharyngeal  carcinomas  invade  locally,  spread  to 
cervical  lymph  nodes,  and  then  metastasize  to  distant  sites.  They  are,  however,  radiosensitive, 
and 5-year survival rates of 50% are reported for even advanced cancers. 
 
LARYNGEAL TUMORS 
Benign Lesions  
Vocal  cord  nodules  ("polyps")
  are  smooth  protrusions  (usually  less  than  0.5  cm  in  diameter) 
located,  most  often,  on  the  true  vocal  cords.  The  nodules  are  composed  of  fibrous  tissue  and 
covered by stratified squamous mucosa. These lesions occur chiefly in heavy smokers or singers 
(singer's nodes), suggesting that they are the result of chronic irritation or voice abuse. 
Laryngeal papilloma (squamous papilloma) of the larynx is a benign neoplasm, usually on the 
true vocal cords, that forms a soft, raspberry-like excrescence rarely more than 1 cm in diameter. 
Microscopically,  it  consists  of  multiple,  slender,  finger-like  projections  supported  by  central 
fibrovascular cores and covered by benign, stratified squamous epithelium. 


background image

Papillomas  are  usually  single  in  adults  but  are  often  multiple  in  children,  in  whom  they  are 
referred to as recurrent respiratory papillomatosis (RRP), since they typically tend to recur after 
excision.  These  lesions  are  caused  by  human  papillomavirus  (HPV)  types  6  and  11,  do  not 
become malignant, and often spontaneously regress at puberty. 
 
Malignant Lesions  
Carcinoma of the Larynx 
Carcinoma of the larynx most commonly occurs after age 40 years and is more common in men 
(7: 1) than in women
Nearly all cases occur in smokers, and alcohol and asbestos exposure may 
also  play  roles.  The  vast  majority  (95%)  are  squamous  cell  carcinomas.  The  tumor  develops 
mostly  on  the  vocal  cords  (glottic  tumors),  but  it  may  arise  above  the  cords  (supraglottic)  or 
below  the  cords  (subglottic).  They  begin  as  in  situ  lesions  that  later  appear  as  pearly  gray, 
wrinkled plaques on the mucosal surface, ultimately ulcerating and fungating. As expected with 
lesions  arising  from  recurrent  exposure  to  environmental  carcinogens,  adjacent  mucosa  may 
demonstrate squamous cell hyperplasia with foci of dysplasia, or even carcinoma in situ. 
Clinically there is persistent hoarseness. Supraglottic cancers have a worse prognosis than glottic 
tumors  because  of  their  earlier  metastasis  to  regional  (cervical)  lymph  nodes.  The  subglottic 
tumors,  like  the  supraglottic  ones,  tend  to  remain  clinically  silent,  &  thus  usually  present  as 
advanced disease. With surgery, radiation, or combined therapeutic treatments,only one third die 
of  the  disease.  The  usual  cause  of  death  is  infection  of  the  distal  respiratory  passages  or 
widespread metastases and cachexia. 

 

 

THE LUNG 

ATELECTASIS  (COLLAPSE)  is  loss  of  lung  volume  caused  by  inadequate  expansion  of 
airspaces; this leads to shunting of inadequately oxygenated blood from pulmonary arteries into 
veins, thus giving rise to hypoxia
.  
Pathogenetically atelectasis is classified into three forms (Fig. 2-1) 
1.  Resorption  atelectasis  complicating  obstruction.  The  air  already  present  distally  gradually 
becomes absorbed, and alveolar collapse follows. Depending on the level of airway obstruction, 
an entire lung, a complete lobe, or a segment may be involved. A mucous or muco-purulent plug 
is the most common cause of such obstruction for e.g. following surgical operations or bronchial 
asthma,  bronchiectasis,  chronic  bronchitis,  or  the  aspiration  of  foreign  bodies,  particularly  in 
children. 
2.  Compression  atelectasis
  is  usually  due  to  mechanical  compression  of  the  lung  by  pleural 
distension as in pleural effusion (congestive heart failure) or pneumothorax. Basal atelectasis is 
another  example  &  is  due  to  elevated  diaphragm  as  that  occurs  in  bedridden  patients,  in  those 
with ascites, and during and after surgery. 
3.  Contraction  atelectasis  occurs  in  the  presence  of  focal  or  generalized  pulmonary  fibrosis  or 
pleural fibrosis; in these situations there is interference with expansion and an increase in elastic 
recoil during expiration. 
Atelectasis  (except  contraction  type)  is  reversible  and  should  be  treated  quickly  to  prevent 
hypoxemia and infection of the collapsed lung. 
 
 


background image

ADULT  RESPIRATORY  DISTRESS  SYNDROME  (ARDS)  (previously  “Shock  lung”)  is 
progressive respiratory insufficiency caused by diffuse alveolar damage” 
The clinical setting associated with ARDS include 
A. Respiratory 
1. Diffuse infections (viral, bacterial) 
2. Aspiration 
3. Inhalation (toxic gases, near drowning) 
4. O

therapy 

B. Non-respiratory 
1. Sepsis (septic shock) 

2. Trauma (with hypotension)  

3. Burns 

 

 

4. Pancreatitis  

 

5. Ingested toxins (e.g. paraquat) 

There  is  an  acute  onset  of  dyspnea,  hypoxemia  (refractory  to  O

2

  therapy),  and  radiographic 

bilateral  pulmonary infiltrates  (noncardiogenic pulmonary  edema). The  condition  may progress 
to multisystem organ failure.  
Pathogenesis
 
In ARDS there is damage to alveolar capillary membrane by endothelial &/or epithelial injury. 
This leads to three consequences  
1. Increased vascular permeability (endothelial damage) 
2. Loss of diffusion capacity of the gases 
3. Widespread surfactant deficiency (damage to type II pneumocytes).  
Nuclear factor κB, is suspected of tilting the balance in favor of pro-inflammatory rather than 
anti-inflammatory  mediators,  which  causes  the  endothelial  damage.  This  leads  to  fluid 
accumulation.  Following  the  insult,  there  is  increased  synthesis  of  a  potent  neutrophil 
chemotactic  and  activating  agent  IL-8  &  TNF  by  pulmonary  macrophages.  The  recruited, 
activated  neutrophils  release  oxidants,  proteases,  etc.  that  cause  damage  to  the  alveolar 
epithelium leading to loss of surfactant that interferes with alveolar expansion. 
Gross features:
 in the acute phase the lungs are dark red, airless, and heavy.  
Microscopic features
: (Fig. 2-2) 
The histologic reflection of ARDS in the lungs is known as diffuse alveolar damage.  
Early stage is characterized by   

  Capillary congestion and stuffing by neutrophils 

  Necrosis of alveolar epithelial cells 

  Interstitial and intra-alveolar edema and sometimes hemorrhage  

  The  presence  of  hyaline  membranes  is  characteristic.  They  particularly  line  the  distended 

alveolar ducts & consist of fibrin admixed with necrotic epithelial cells.  

  Overall,  the  picture  is  very  similar  to  that  seen  in  respiratory  distress  syndrome  in  the 

newborn.  

Organizing stage is characterized by   

  Marked regenerative proliferation of type II pneumocytes   

  Organization of the fibrin exudates. This eventuates in intra-alveolar fibrosis.  

  Marked fibrotic thickening of the alveolar septa. 

The prognosis of ARDS is gloomy and mortality rates are around 60% despite improvements in 
supportive  therapy.  However,  in  most  patients  who  survive  the  acute  insult  normal  respiratory 
function returns. Alternatively, diffuse interstitial fibrosis occurs with permanent impairment of 
respiratory function.  
 


background image

OBSTRUCTIVE PULMONARY DISEASE 
Under this heading come four entities  
1. Emphysema  
2. Chronic bronchitis  
3. Asthma 
4. Bronchiectasis 
Although  chronic  bronchitis  may  exist  without  emphysema,  and  pure  emphysema  may  occur 
(with inherited α

1

-antitrypsin deficiency), the two diseases usually coexist. This is because long-

term cigarette smoking is a common underlying agent in both disorders. Emphysema and chronic 
bronchitis  are  often  clinically  grouped  together  under  the  term  chronic  obstructive  pulmonary 
disease  (COPD),  
which  is  one  of  the  leading  causes  of  death.  The  irreversibility  of  airflow 
obstruction of COPD distinguishes it from asthma (reversible obstruction) 
 
EMPHYSEMA 
is defined as "abnormal permanent enlargement of the airspaces distal to the 
terminal bronchioles, accompanied by destruction of their walls without obvious fibrosis
". 
Classification  of  Emphysema  is  according  to  its  anatomic  distribution  within  the  lobule;  the 
acinus  is  the  structure  distal  to  terminal  bronchioles,  and  a  cluster  of  3  to  5  acini  is  called  a 
lobule. There are four major types of emphysema: 
1. Centriacinar  

 

2. Panacinar    

 

3. Distal acinar   

 

 

4. Irregular  
Only the first  two cause clinically significant  airway obstruction, with  centriacinar  emphysema 
being about 20 times more common than panacinar disease. 
Centriacinar  (Centrilobular)  Emphysema:  the  central  parts  of  the  acini  i.e.  the  respiratory 
bronchioles are affected, while distal alveoli are spared (Fig. 2-3). The lesions are more common 
and severe in the upper lobes. This type is most commonly associated with cigarette smoking. 
Panacinar  (Panlobular)  Emphysema:  the  acini  are  uniformly  enlarged  from  the  level  of  the 
respiratory bronchiole to the terminal blind alveoli (Fig. 2-4). It tends to occur more commonly 
in the lower lobes and is the type that occurs in α

1

-antitrypsin deficiency

Distal  Acinar  (Paraseptal)  Emphysema:  the  distal  part  of  the  acinus  is  primarily  involved 
especially adjacent to the pleura and the lobular connective tissue septa. Characteristically, there 
are  multiple,  adjacent,  enlarged  airspaces  up  to  2  cm  or  more  in  diameter,  sometimes  forming 
cystic  structures  referred  to  as  bullae. This  type of  emphysema  probably  underlies  many  of  the 
cases of spontaneous pneumothorax in young adults. 
 
Irregular Emphysema
the acinus is irregularly involved; it is associated with scarring. 
Pathogenesis of centriacinar & panacinar forms of emphysema 
These  are  thought  to  arise  as  a  result  of  imbalances  of  protease-antiprotease  and  oxidant-
antioxidant  (Fig.  2-5).  The  protease-antiprotease  imbalance  hypothesis  is  supported  by  the 
enhanced  tendency  of  emphysema  development  in  patients  with  genetic  α

1

-antitrypsin 

deficiency,  which  is  aggrvated  by  smoking.  α

1

-Antitrypsin,  is  a  major  inhibitor  of  proteases 

(particularly elastase) secreted by neutrophils during inflammation. Emphysema seems to result 
from  the  destructive  effect  of  high  protease  activity  in  subjects  with  low  antiprotease  action. 
Smoking seems to play a decisive role in the pathogenesis of emphysema  
1.  It  causes  accumulation  of  neutrophils  &  macrophages  within  the  alveoli  through  its  direct 
chemoattractant  effects  and  through  the  reactive  oxygen  species  contained  in  it.  These  activate 


background image

the  transcription  factor  NF-κB,  which  switches  on  genes  that  encode  TNF  and  IL-8.  These,  in 
turn, attract and activate more neutrophils. Accumulated active neutrophils release their granules, 
which are rich in a variety of proteases (elastase, proteinase, etc.) that result in tissue damage.  
2. Smoking also enhances elastase activity in macrophages; this elastase is not inhibited by α

1

-

antitrypsin; additionally, it can digest this antiprotease.  
3. Tobacco smoke contains abundant reactive oxygen free radicals, which deplete the antioxidant 
mechanisms,  thereby  inciting  tissue  damage.  A  secondary  consequence  of  oxidative  injury  is 
inactivation  of  native  antiproteases,  resulting  in  "functional"  α

1

-antitrypsin  deficiency  even  in 

patients without enzyme deficiency. 
Gross features  

  The diagnosis and classification of emphysema depend on the gross appearance of the lung.  

  Panacinar  emphysema  produces  pale,  voluminous  lungs  that  obscure  the  heart  at  autopsy. 

(Fig. 2-6

  In centriacinar emphysema the lungs are less voluminous and deeper pink. Generally, in this 

type the upper two-thirds of the lungs are more severely affected.   

Microscopic features 

  There is thinning and destruction of alveolar walls.  

  With advanced disease, adjacent alveoli coalesce, creating large airspaces (Fig. 2-7). 

  The capillaries within alveolar walls are reduced in number due to stretching.  

Course & prognosis 
With the loss of elastic tissue in the surrounding alveolar septa, there is reduced radial traction on 
the  small  airways.  As  a  result,  they  tend  to  collapse  during  expiration-an  important  cause  of 
chronic  airflow  obstruction  in  severe  emphysema.  The  patient  is  barrel-chested  and  dyspneic, 
with  obviously  prolonged  expiration.  Hyperventilation  is  prominent  thus  gas  exchange  is 
adequate  and  blood  gas  values  are  relatively  normal  i.e.  there  is  no  cyanosis.    Patients  with 
emphysema and chronic bronchitis usually have less prominent dyspnea and respiratory drive, so 
they  retain  carbon  dioxide,  become  hypoxic,  and  are  often  cyanotic.  The  eventual  outcome  of 
emphysema is the gradual development of secondary pulmonary hypertension
, arising from both 
hypoxia-induced  pulmonary  vascular  spasm  and  loss  of  pulmonary  capillary  surface  area  from 
alveolar  destruction  and  stretching.  Death  from  emphysema  is  related  to  either  pulmonary 
failure, or right-sided heart failure (cor pulmonale). 
Conditions Related to Emphysema 
Several conditions resemble but are not really emphysema, these include 
a.  Compensatory emphysema  refers to  dilation of alveoli  in  response to  loss of lung substance 
elsewhere, as in residual lung tissue after surgical removal of a diseased lung or lobe. 
b. Obstructive overinflation
: the lung expands because air is trapped within it. A common cause 
is subtotal obstruction by a tumor or foreign object, & mucous plugs in asthmatic patients (Fig. 
2-10
).  It  can  be  a  life-threatening  emergency  if  the  affected  portion  extends  sufficiently  to 
compress the remaining normal lung. 
c. Bullous emphysema 
refers to any form of emphysema that produces bullae (spaces >1 cm in 
diameter)  (Fig.  2-8).  They  represent  localized  accentuations  of  one  of  the  four  forms  of 
emphysema, are most often subpleural that with rupture leads to pneumothorax. 
d. Mediastinal (interstitial) emphysema signifies the entrance of air into the connective tissue of 
the lung, mediastinum, and subcutaneous tissue. It may spontaneous as with a sudden increase in 
intra-alveolar  pressure  (associated  with  vomiting  or  violent  coughing)  that  causes  a  tear,  with 
dissection of air into the connective tissue. It is also likely to occur in patients on respirators who 


background image

have  partial  bronchiolar  obstruction  or  in  persons  who  suffer  a  perforating  injury  (e.g.,  a 
fractured rib). When the interstitial air enters the subcutaneous tissue, the patient  may blow up 
like a balloon, with marked swelling of the head and neck. 
 
CHRONIC BRONCHITIS 
is common among cigarette smokers and in smog-ridden cities. The 
diagnosis of chronic bronchitis is clinical; it is defined as  "a persistent productive cough for at 
least 3 consecutive months in at least 2 consecutive years
."  
Pathogenesis 
The distinctive feature of this disease is hypersecretion of mucus, beginning in the large airways. 
Although  the  single  most  important  cause  is  cigarette  smoking,  other  air  pollutants,  such  as 
sulfur  dioxide  and  nitrogen  dioxide,  may  contribute.  These  environmental  irritants  induce 
hypertrophy of mucous glands in the trachea and main bronchi and a marked increase in mucin-
secreting goblet cells in  the surface epithelium of smaller bronchi  and bronchioles. In addition, 
these  irritants  cause  inflammation  with  infiltration  of  CD8+  T  cells,  macrophages,  and 
neutrophils.  Microbial infection is often present but has a secondary role, chiefly by maintaining 
the inflammation. 
Airflow obstruction in chronic bronchitis results from  
1.  Small  airway  disease,  (chronic  bronchiolitis)  induced  by  goblet  cell  metaplasia  with  mucus 
plugging of the bronchiolar lumen, inflammation, and bronchiolar wall fibrosis   
2. Coexistent emphysema: while small airway disease is important in the early and mild airflow 
obstruction, chronic bronchitis with significant airflow obstruction is almost always complicated 
by emphysema.  
Gross features 

  The  mucosal  lining  of  the  larger  airways  is  usually  hyperemic  and  edematous.  It  is  often 

covered by a layer of mucus or mucopurulent secretions.  

  The smaller bronchi and bronchioles may also be filled with similar secretions. 

Microscopic features 

  The diagnostic feature of chronic bronchitis in the trachea and larger bronchi is  enlargement 

of the mucus-secreting glands (Fig. 2-9).  

  A  variable  density  of  inflammatory  cells,  largely  mononuclear  but  sometimes  admixed  with 

neutrophils,  is  frequently  present  in  the  bronchial  mucosa.  Neutrophils  increased  markedly 
during superimposed acute exacerbations.  

  Chronic bronchiolitis (small airway  disease),  characterized by  goblet cell metaplasia, mucus 

plugging,  inflammation,  and  fibrosis.  In  severe  cases,  there  may  be  complete  obliteration  of 
the lumen due to fibrosis (bronchiolitis obliterans). 

Patients  with  chronic  bronchitis  presents  with  a  prominent  productive  cough  that  may  persist 
indefinitely  without  ventilatory  dysfunction.  However,  some  may  develop  significant  COPD 
with outflow obstruction. This is accompanied by hypercapnia, hypoxemia, and (in severe cases) 
cyanosis.  With  progression,  chronic  bronchitis  is  complicated  by  pulmonary  hypertension  and 
cardiac failure. Recurrent infections and respiratory failure are constant threats. 
 
ASTHMA  is  "a chronic inflammatory disorder of  the airways  that causes  recurrent attacks  of 
breathlessness
".  The  inflammation  seems  to  cause  an  increase  in  airway  responsiveness 
(bronchospasm)  to  a  variety  of  stimuli,  which  would  cause  no  such  ill  effects  in  nonasthmatic 
individuals.  In  two-thirds  of  the  cases,  the  disease  is  "extrinsic"  (atopic)  due  to  IgE  and  T

H

2-

mediated  immune  responses  to  environmental  antigens.  In  the  remaining  one-third,  asthma  is 


background image

"intrinsic"  (non-atopic)  and  is  triggered  by  non-immune  stimuli  such  as  aspirin;  pulmonary 
infections, especially viral (common cold); psychological stress, etc. 
Pathogenesis 
The major etiologic factors of asthma are  
1. Genetic predisposition to type I hypersensitivity ("atopy"),  
2. Airway inflammation  
3. Bronchial hyper-responsiveness to a variety of stimuli.  
The  role  of  T

H

2:  the  "atopic"  form  of  asthma  is  associated  with  an  excessive  T

H

2  reaction 

against  environmental  antigens.  Three  cytokines  produced  by  T

H

2  cells  are,  in  particular, 

responsible for most of the features of asthma;  
1. IL-4 stimulates IgE production 
2. IL-5
 activates eosinophils 
3. IL-13
 stimulates mucus production  
In  addition,  epithelial  cells  are  activated  to  produce  chemokines  that  recruit  more  T

H

2  cells, 

eosinophils, & other leukocytes, thus amplifying the inflammatory reaction.  
The role of genetics
: in asthma the bronchial smooth muscle hypertrophy and the deposition of 
subepithelial  collagen  may  be  the  result  of  a  genetically  inherited  predisposition.  ADAM33  is 
one of the genes implicated.  
The  role  of  mast  cells:  
these  are  part  of  the  inflammatory  infiltrate  &  contribute  by  secreting 
growth factors that stimulate smooth muscle proliferation. 
Atopic asthma, which usually begins in childhood, is triggered by environmental antigens (dusts, 
pollen,  animal  dander,  and  foods).  In  the  airways  the  inhaled  antigens  stimulates  induction  of 
T

H

2-type cells and release of interleukins IL-4 and IL-5. This leads to synthesis of IgE that binds 

to mucosal mast cells. Subsequent exposure of IgE-coated mast cells to the same antigen causes 
the release of chemical mediators. In addition, direct stimulation of subepithelial vagal receptors 
provokes reflex bronchocospasm. These occur within minutes after stimulation thus called acute, 
or  immediate,  response
.  Mast  cells  release  other  cytokines  that  cause  the  influx  of  other 
leukocytes,  including  eosinophils.  These  inflammatory  cells  set  the  stage  for  the  late-phase 
reaction
,
 which starts 4 to 8 hours later. 
The role of eosinophils
: these cells are particularly important in the late phase. Their effects are 
mediated by 
1.  Major  basic  protein  and  eosinophil  cationic  protein,
  which  directly  damage  airway 

epithelial cells.  

2.  Eosinophil peroxidase causes tissue damage through oxidative stress.  
3.  Leukotriene C

4

, which contribute to bronchospasm.  

Viral infections of the respiratory tract and inhaled air pollutants such as sulfur dioxide increase 
airway  hyper-reactivity  in  both  normal  &  non-atopic  asthmatics.  In  the  latter,  however,  the 
bronchial  spasm  is  much  more  severe  and  sustained.  It  is  thought  that  virus-induced 
inflammation of the respiratory mucosa renders the subepithelial vagal receptors more sensitive 
to irritants.  
The ultimate humoral and cellular mediators of airway obstruction are common to both atopic 
and non-atopic variants of asthma, and hence they are treated in a similar way. 
Drug-Induced Asthma: several drugs provoke asthma, aspirin being the most striking example. 
Presumably,  aspirin  inhibits  the  cyclooxygenase  pathway  of  arachidonic  acid  metabolism 
without affecting the lipoxygenase route, thereby shifting the balance toward bronchoconstrictor 
leukotrienes. 


background image

Occupational  Asthma:  this  form  is  stimulated  by  fumes  (epoxy  resins,  plastics),  organic  and 
chemical  dusts  (wood,  cotton,  platinum),  gases  (toluene),  and  other  chemicals.  Asthma  attacks 
usually develop after repeated exposure to the inciting antigen(s). 
Pathologic features 
(Fig. 2-10) 
Gross features:
 in fatal cases, the lungs are overdistended because of overinflation.  
Microscopic features:  

  There  is  occlusion  of  bronchi  and  bronchioles  by  thick,  tenacious  mucous  plugs,  which 

contain numerous eosinophils. 

  Structural changes of airways include  

- Thickening of the basement membrane of the bronchial epithelium  
-  Edema  and  an  inflammatory  infiltrate  in  the  bronchial  walls,  with  a  prominence  of 
eosinophils and mast cells. 
- An increase in the size of the submucosal glands. 
- Hypertrophy of the bronchial muscle cells. 

Course & prognosis 
An attack of asthma is characterized by severe dyspnea with wheezing; the chief difficulty lies in 
expiration. The victim struggles to get air into the lungs and then cannot get it out, so that there is 
progressive  hyperinflation  of  the  lungs  with  air  trapped  distal  to  the  bronchi,  which  are 
constricted  and  filled  with  mucus  and  debris.  In  the  usual  case,  attacks  last  from  1  to  several 
hours and subside either spontaneously or with therapy. Occasionally a severe paroxysm occurs 
that does not respond to therapy and persists for days and even weeks (status asthmaticus). The 
associated hypercapnia, acidosis, and severe hypoxia may be fatal. 
 
BRONCHIECTASIS  refers  to  "the  permanent  dilation  of  bronchi  and  bronchioles  caused  by 
destruction of the musclulo- elastic supporting tissues, resulting from or associated with chronic 
necrotizing infections.
" The disease is secondary to persisting infection or obstruction caused by 
a  variety  of  conditions.  Once  developed,  it  gives  rise  to  symptoms  dominated  by  cough  and 
expectoration of copious amounts of purulent, foul sputum. Diagnosis depends on an appropriate 
history  along  with  radiographic  demonstration  of  bronchial  dilation.  The  conditions  that  most 
commonly predispose to bronchiectasis include the following: 
1.  Bronchial  obstruction  e.g.  by  tumors,  foreign  bodies.  Under  these  conditions,  the 
bronchiectasis is localized to the obstructed segment. Bronchiectasis can also complicate atopic 
asthma  and  chronic  bronchitis
  through  mucus  impaction.  In  cystic  fibrosis,  widespread  severe 
bronchiectasis  results  from  obstruction  and  infection  caused  by  the  secretion  of  abnormally 
viscid  mucus.  Kartagener  syndrome,  an  autosomal  recessive  disorder,  is  frequently  associated 
with bronchiectasis and sterility in males. Structural abnormalities of the cilia impair mucociliary 
clearance in the airways, leading to persistent infections, and reduce the mobility of spermatozoa.  
2.  Necrotizing,  or  suppurative,  pneumonia,  particularly  with  virulent  organisms  such  as 
Staphylococcus  aureus  or  Klebsiella  spp.,  may  predispose  to  bronchiectasis.  In  the  past, 
postinfective  bronchiectasis  was  sometimes  a  sequel  to  the  childhood  pneumonias  that 
complicated measles,  whooping cough, and influenza, but  this  has substantially decreased with 
the  advent  of  successful  immunization.  Post-tubercculosis  bronchiectasis  continues  to  be  a 
significant cause in endemic areas. 
Pathogenesis 

  Two processes are crucial and tangled in the pathogenesis of bronchiectasis: obstruction and 

chronic persistent infection. Either of these two processes may come first.  


background image

  Normal  clearance  mechanisms  are  impaired  by  obstruction,  so  secondary  infection  soon 

follows;  conversely,  chronic  infection  in  time  causes  damage  to  bronchial  walls,  leading  to 
weakening  and  dilation.  For  example,  obstruction  caused  by  a  bronchogenic  carcinoma  or  a 
foreign  body  impairs  clearance  of  secretions,  providing  a  fertile  soil  for  superimposed 
infection.  The  resultant  inflammatory  damage  to  the  bronchial  wall  and  the  accumulating 
exudate further distend the airways, leading to irreversible dilation.  

  A  persistent  necrotizing  inflammation  in  the  bronchi  or  bronchioles  may  cause  obstructive 

secretions,  inflammation throughout  the wall (with peribronchial fibrosis and traction on the 
walls), and eventually dilation.  

Gross features  

  Usually there is bilateral involvement of the lower lobes  

  When  tumors  or  aspiration  of  foreign  bodies  lead  to  bronchiectasis,  involvement  may  be 

sharply localized to a single segment of the lungs.   

  The airways may be dilated up to 4 times their usual diameter and can be followed almost to 

the pleural surfaces (Fig. 2-11

Microscopic features (Fig. 2-12) 

  There is intense acute and chronic inflammatory exudate within the walls of the bronchi and 

bronchioles. 

  The  desquamation  of  lining  epithelium  causes  extensive  areas  of  ulceration.  When  healing 

occurs, the lining epithelium may regenerate completely.  

  In  chronic  cases  there  is  fibrosis  of  the  bronchial  and  bronchiolar  walls  and  peribronchiolar 

areas.   

  In  some  instances,  the  necrotizing  inflammation  destroys  the  bronchial  or  bronchiolar  walls 

and forms a lung abscess. 

In cases of severe, widespread bronchiectasis hypoxemia, hypercapnia, pulmonary hypertension, 
and (rarely) cor pulmonale occur. Metastatic brain abscesses and reactive amyloidosis are other, 
less frequent complications. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

DIFFUSE INTERSTITIAL (RESTRICTIVE) LUNG DISEASES  
These  are  a  heterogeneous  group  of  disorders  characterized  by  diffuse  and  usually  chronic 
involvement  of  the  pulmonary  connective  tissue,  principally  the  delicate  alveolar  walls.
  The 
hallmark  of  these  disorders  is  reduced  compliance  (because  of  stiff  lungs),  which  necessitates 
increased  effort  of  breathing.  There  are,  in  addition,  abnormalities  in  the  ventilation-perfusion 
ratio,  leading  to  hypoxia.  Chest  radiographs  show  diffuse  infiltration  by  small  nodules  or 
"ground-glass shadows." With progression respiratory failure may develop, often in association 
with  pulmonary  hypertension  and  cor  pulmonale.  The  end  stage  of  most  of  these  diseases, 
irrespective of etiology, is diffuse interstitial pulmonary fibrosis with or without honeycombing.  
Idiopathic  Pulmonary  Fibrosis  (IPF)  (cryptogenic  fibrosing  alveolitis)  is  characterized 
histologically  by  diffuse  interstitial  fibrosis,  which  in  advanced  cases  results  in  severe 
hypoxemia  and  cyanosis.  Males  (usually  over  60  years)  are  more  often  affected.  Grossly,  the 
pleural surfaces of the lung have cobblestone appearance because of the retraction of scars along 
the  interlobular  septa.  The  histologic  hallmark  is  patchy  interstitial  fibrosis,  which  varies  in 
intensity  (Fig.  2-13  A).  The  dense  fibrosis  causes  collapse  of  alveolar  walls  and  formation  of 
cystic spaces lined by hyperplastic type II pneumocytes (honeycomb fibrosis) (Fig 2-13 B). The 
interstitial  inflammation  is  usually  patchy  and  consists  of  lymphocytes.  Secondary  pulmonary 
hypertensive changes are often present. 
Pulmonary Involvement in Collagen Vascular Diseases 
Many  collagen  vascular  diseases  (e.g.,  SLE,  rheumatoid  arthritis,  systemic  sclerosis)  are 
associated  with  pulmonary  manifestations.  The  histologic  changes  are  in  part  similar  to  that  of 
IPF, vascular sclerosis,  organizing pneumonia, and bronchiolitis.  Pleural  involvement may also 
be present. Pulmonary involvement in these diseases is usually associated with a poor prognosis. 
Pneumoconioses  refer  to  the  non-neoplastic  lung  reactions  to  inhalation  of  mineral  dusts 
(Organic  and  inorganic).  The  three  most  common  of  these  result  from  exposure  to  coal  dust, 
silica, and asbestos; nearly always due to exposure in the workplace. However, the increased risk 
of cancer as a result of asbestos exposure extends to family members of asbestos workers and to 
other individuals exposed to asbestos outside the workplace. 
Pathogenesis 
The reaction of the lung to mineral dusts depends on the size, shape, solubility, and reactivity of 
the  particles;  particles  that  are  1  to  5  μm  are  the  most  dangerous,  because  they  lodge  at  the 
bifurcation  of  the  distal  airways.  Coal  dust  is  relatively  inert,  and  large  amounts  must  be 
deposited in the lungs before the disease is clinically apparent. Silica, asbestos, and beryllium are 
more  reactive  than  coal  dust,  resulting  in  fibrotic  reactions  at  lower  concentrations.  The 
pulmonary  alveolar  macrophage  play  central  role  in  the  initiation  and  progression  of  lung 
injury and fibrosis.
 The more reactive particles stimulate the macrophages to release mediators 
of  inflammation  and  fibroblast  proliferation  with  collagen  deposition.  Some  of  the  inhaled 
particles  may  reach  the  lymphatics.  This  leads  to  an  amplification  and  extension  of  the  local 
reaction.  Tobacco  smoking  worsens  the  effects  of  all  inhaled  mineral  dusts,  but  particularly 
asbestos particle. 
1. Coal Workers' Pneumoconiosis 
The spectrum of lung findings in coal workers includes  
a. Asymptomatic anthracosis, in which pigment accumulates without cellular reaction. It is also 
commonly seen in all urban dwellers and tobacco smokers. Inhaled carbon pigment is engulfed 
by alveolar or interstitial macrophages, which then accumulate in the connective tissue along the 
lymphatics, including the pleural lymphatics, or in lymph nodes.  


background image

b.  Simple coal  workers' pneumoconiosis is  characterized by nodules  that  consist  of dust-laden 
macrophages with small delicate network of collagen fibers.  
c. Progressive massive fibrosis develops in 10% of those with the above; it occurs through the 
coalescence of the fibrotic nodules. The fibrosis is extensive and lung function is impaired with 
subsequent  pulmonary  hypertension,  and  cor  pulmonale.  There  is  no  increased  frequency  of 
bronchogenic carcinoma (cf. silicosis & asbestosis).  
 
2.  Silicosis
  is  the  most  common  chronic  occupational  disease  in  the  world.  It  is  caused  by 
inhalation  of  silica  crystals  mostly  quartz,  usually  in  occupational  settings.  The  condition  is 
characterized  by  the  formation  of  silicotic  nodules,  at  first  tiny,  discrete,  pale  or  black  (when 
mixed with carbon) involving the upper zones of the lungs. Microscopically, the silicotic nodule 
consists of concentrically arranged hyalinized collagen fibers surrounding an amorphous center 
(Fig.  2-14).  Polarized  microscopy  reveals  weakly  birefringent  silica  particles,  primarily  in  the 
center of the nodules. With progression, the individual nodules coalesce  into large  collagenous 
scars,  and  eventually  progressive  massive  fibrosis.  Silicosis  is  associated  with  an  increased 
susceptibility to tuberculosis presumably due depression of cell-mediated immunity. Silica from 
occupational  sources  is  carcinogenic  in  humans.  However,  this  subject  continues  to  be 
controversial. 
 
3. Asbestosis and Asbestos-Related Diseases
 
Asbestos  is  a  family  of  silicate  crystals  with  a  fibrous    spatial  arrangement.  Occupational 
exposure to asbestos is associated with   
1. Interstitial pulmonary fibrosis (asbestosis)  

   2. Localized fibrous pleural plaques 

3. Pleural effusions    

 

 

 

   4. Bronchogenic carcinoma 

5.  Malignant mesotheliomas (pleural, peritoneal)       6. Laryngeal carcinoma  
An  increased  incidence  of  asbestos-related  cancers  is  noted  in  family  members  of  asbestos 
workers. 
Asbestosis  signifies  diffuse  pulmonary  interstitial  fibrosis  &  characteristically  shows  the 
presence  of  asbestos  bodies,  which  are  seen  as  golden  brown,  beaded  rods.  They  consist  of 
asbestos  fibers  coated  with  an  iron-protein  material  (Fig.  2-15).  In  contrast  to  coal  workers 
pneumoconiosis and silicosis, asbestosis begins in the lower lobes and subpleural regions, but the 
entire  lungs  become  affected  as  fibrosis  progresses.  Simultaneously,  the  visceral  pleura 
undergoes fibrous thickening. 
Pleural  plaques  are  the  most  common  manifestation  of  asbestos  exposure  and  are  well-
circumscribed patches of dense collagen that develop most frequently on the parietal pleura and 
over the domes of the diaphragm. 
The risk of bronchogenic carcinoma is increased about five times for asbestos workers. The risk 
for mesotheliomas, normally a very rare tumor, is more than 1000 times greater. Both pleural and 
peritoneal  mesotheliomas  have  an  association  with  asbestos  exposure.  Concomitant  cigarette 
smoking greatly increases the risk of bronchogenic carcinoma but not that of mesothelioma. The 
carcinoma  &  mesothelioma  associated  with  asbestos  exposure  have  a  particularly  poor 
prognosis. 
 
 
 
 


background image

Granulomatous Diseases 
Sarcoidosis
  is  a  systemic  granulomatous  disease  of  unknown  etiology  characterized  by 
noncaseating  granulomas  in  many  tissues  and  organs
.  Other  diseases,  including  mycobacterial 
or fungal infections and berylliosis, sometimes also produce noncaseating granulomas; therefore, 
the histologic diagnosis of sarcoidosis is one of exclusion. Bilateral hilar lymphadenopathy &/or 
lung involvement is the major presenting manifestations in most cases. Eye and skin involvement 
are also frequent and may occasionally be the presenting feature of the disease. 
Sarcoidosis occurs throughout the world, affecting both sexes and all races and ages. There is a 
predilection  for  adults  younger  than  40  years  of  age.  Sarcoidosis  is  one  of  the  few  pulmonary 
diseases  with  a  higher  prevalence  among  nonsmokers.  Although  the  etiology  of  sarcoidosis 
remains  unknown,  it  is  probably  a  disease  of  disordered  immune  regulation  in  genetically 
predisposed individuals exposed to certain environmental agents.  
Pathologic features 

  Noncaseating epithelioid granulomas are the histopathologic marker of sarcoidosis (Fig. 2-

16).  A  thin  layer  of  fibroblasts  is  present  peripheral  to  the  granuloma;  over  time,  these 
proliferate and lay down collagen that replaces the entire granuloma with a hyalinized scar.  

  Two other microscopic features are sometimes seen in the granulomas: 1. Schaumann bodies, 

laminated  concretions  composed  of  calcium  and  proteins;  and  2.  Asteroid  bodies,  stellate 
inclusions  enclosed  within  giant  cells.  They  are  neither  specific  nor  required  to  make  the 
diagnosis. Caseation necrosis (typical of tuberculosis) is absent. 

  The  lungs  are  involved  in  90%  of  patients.  The  granulomas  predominantly  involve  the 

interstitium  rather  than  airspaces.  In  up  to  15%  of  patients,  the  granulomas  are  eventually 
replaced by diffuse interstitial fibrosis resulting in a honeycomb lung. (Fig. 2-13 B

  Intrathoracic  hilar  and  paratracheal  lymph  nodes  are  enlarged  in  the  majority  of  patients. 

Unlike in tuberculosis, lymph nodes in sarcoidosis are "nonmatted" (nonadherent) and do not 
ulcerate. 

Course & prognosisin about two-thirds of symptomatic cases there is a gradual appearance of 
dyspnea  with  or  without  fever,  fatigue,  weight  loss,  etc.  Because  of  the  variable  and 
nondiagnostic clinical features, frequently lung or lymph node biopsy is performed. The presence 
of  noncaseating  granulomas  is  suggestive  of  sarcoidosis,  but  other  identifiable  causes  of 
granulomatous  inflammation  must  be  excluded.  Sarcoidosis  follows  an  unpredictable  course. 
Overall,  70%  of  affected  individuals  recover  with  minimal  or  no  residual  manifestations;  20% 
develop  permanent  lung  dysfunction  or  visual  impairment.  Of  the  remaining  10%,  most  die  of 
progressive pulmonary fibrosis and cor pulmonale. 
Other  granulomatous  lung  diseases  including  infectious  e.g.  TB,  fungal,  etc.  will  be  covered 
below. 
 
PULMONARY INFECTIONS 
Pneumonias  are  common  cause  of  death.  Defects  in  natural  immunity  and  humoral 
immunodeficiency  lead  to  an  increased  incidence  of  infections  with  pyogenic  bacteria  whereas 
cell-mediated  immune  defects  lead  to  increased  infections  with  intracellular  microbes  (as 
mycobacteria  and  herpes  viruses)  as  well  as  with  microorganisms  of  very  low  virulence  (as 
Pneumocystis  jiroveci).  Cigarette  smoke  impairs  mucociliary  clearance  and  pulmonary 
macrophage activity, while alcohol impairs cough and epiglottic reflexes, thereby increasing the 
risk  of  aspiration,  and  also  interferes  with  neutrophil  mobilization  and  chemotaxis.  Pneumonia 
may  be  acute  or  as  chronic  disease.  The  histologic  spectrum  of  pneumonia  may  vary  from  a 


background image

fibrinopurulent  alveolar  exudate seen in  acute bacterial pneumonias, to  mononuclear interstitial 
infiltrates in viral and other atypical pneumonias, to granulomas and cavitation seen in many of 
the chronic pneumonias (e.g. tuberculous).  
Acute  bacterial  pneumonias  can  present  as  one  of  two  anatomic  (and  radiographic)  patterns: 
(Fig. 2-19
1.  Bronchopneumonia  showing  a  patchy  distribution  of  inflammation  that  generally  involves 
more than one lobe. The initial infection is of the bronchi and bronchioles with extension into the 
adjacent alveoli.  
2. Lobar pneumonia, which is by contrast, affecting the contiguous airspaces of part or all of a 
lobe; these are homogeneously filled with an exudate that can be visualized on radiographs as a 
lobar or segmental consolidation (Fig. 2-20). Streptococcus pneumoniae is responsible for more 
than  90%  of  lobar  pneumonias.  The  anatomic  distinction  between  lobar  pneumonia  and 
bronchopneumonia  is  often  become  blurred  because  (a)  many  organisms  can  produce  either  of 
the two patterns of distribution and (b) confluent bronchopneumonia can be hard to distinguish 
radiologically from lobar pneumonia.  
Classifying  pneumonias  by  the  setting  in  which  they  arise  considerably  narrows  the  list  of 
suspected  pathogens  and  hence  help  choosing  the  suitable  empirical  antibiotic  for  treatment. 
Pneumonia  can  arise  in  seven  distinct  clinical  settings  ("pneumonia  syndromes"),  and  the 
causative pathogens are reasonably specific to each category. 
1.  Community-Acquired  Acute  Pneumonias  are  mostly  bacterial  in  origin.  Frequently  it 
follows a viral upper respiratory tract infection. There is usually abrupt high fever, pleuritic chest 
pain,  and  a  productive  mucopurulent  cough  and  occasionally  hemoptysis.  S.  pneumoniae 
(pneumococcus) is the most common cause. Streptococcus (Pneumococcal) pneumoniae occur 
with  increased frequency in  those with  underlying chronic diseases (CHF,  COPD, or diabetes), 
humoral immunodefincies & impaired splenic function (e.g., sickle cell disease or splenectomy).  
Either  lobar  or  bronchopneumonia,  may  occur;  the  latter  is  much  more  prevalent  at  the 
extremes  of  age.  Because  pneumococcal  lung  infections  usually  originate  by  aspiration  of 
pharyngeal  flora  (20%  of  adults  harbor  S.  pneumoniae  in  their  throats),  the  lower  lobes  or  the 
right  middle  lobe  are  most  frequently  involved.  In  the  era  before  antibiotics,  pneumococcal 
pneumonia involved entire or almost entire lobes (lobar pneumonia) and evolved through four 
stages:  congestion,  red  hepatization,  gray  hepatization,  and  resolution  (Fig  2-21).  Early 
antibiotic  therapy  alters  or  stops  this  typical  progression,  so  if  the  person  dies,  the  anatomic 
changes  seen  at  autopsy  may  not  match  the  classic  stages.  During  the  first  stage,  that  of 
congestion, the affected lobe(s) is (are) heavy, red, and wet; histologically, vascular congestion 
can  be  seen,  with  proteinaceous  fluid,  scattered  neutrophils,  and  many  bacteria  in  the  alveoli. 
Within a few days, the stage of red hepatization follows, in which the lung lobe has a liver-like 
consistency;  the  alveolar  spaces  are  packed  with  neutrophils,  red  cells,  and  fibrin.  In  the  next 
stage, gray hepatization, the lung is dry, gray, and firm, because the red cells are lysed, while the 
fibrinosuppurative  exudate  persists  within  the  alveoli.  Resolution  follows  in  uncomplicated 
cases; the exudates within the alveoli are enzymatically digested to produce semifluid debris that 
is  resorbed,  ingested  by  macrophages,  coughed  up,  or  organized  by  fibroblasts.  The  pleural 
reaction (fibrinous or fibrinopurulent pleuritis) may similarly resolve or undergo organization, 
leaving fibrous thickening or permanent adhesions. 
In the bronchopneumonia (Fig. 2-22), gray-red to yellow patches of consolidation, up to 4 cm in 
diameter  are  distributed  throughout  one  or  several  lobes,  most  frequently  bilateral  and  basal. 
Confluence  of  these  foci  may  occur  in  severe  cases,  producing  the  appearance  of  a  lobar 


background image

consolidation.  The  large  intervening  areas  are  generally  normal.  Histologically,  the  reaction 
consists  of  focal  suppurative  exudate  that  fills  the  bronchi,  bronchioles,  and  adjacent  alveolar 
spaces.  With  appropriate  therapy,  complete  resolution  of  the  inflammation  is  the  rule  for  both 
forms. Occasionaly complications especially with serotype 3 pneumococci may occur: 
1. Abscess  

 

 

 

 

 

 

2. Empyema    

 

3 Solid areas of fibrosis complicating organization        
4. Bacteremic dissemination may lead to meningitis, arthritis, or infective endocarditis. 
Examination of Gram-stained sputum is an important step in the diagnosis of acute pneumonia. 
The  presence  of  numerous  neutrophils  containing  the  typical  gram-positive,  lancet-shaped 
diplococci  is  good evidence of pneumococcal  pneumonia, however,  S. pneumoniae  is  a part of 
the  endogenous  flora  and  therefore  false-positive  results  may  be  obtained.  Isolation  of 
pneumococci from blood cultures is more specific.  
Other  organisms  commonly  implicated  in  community-acquired  acute  pneumonias  include 
Haemophilus  influenzae
,  which  is  the  most  common  bacterial  cause  of  acute  exacerbation  of 
COPD.  Moraxella  catarrhalis,  which  is  the  second  most  common  bacterial  cause  of  acute 
exacerbation  of  COPD  in  adults.  Staphylococcus  aureus  is  an  important  cause  of  secondary 
bacterial  pneumonia  after  viral  respiratory  illnesses  (e.g.,  measles  in  children  and  influenza  in 
both  children  and  adults).  It  is  associated  with  a  high  incidence  of  complications,  such  as  lung 
abscess  and  empyema.  Klebsiella  pneumoniae  is  the  most  frequent  cause  of  gram-negative 
bacterial  pneumonia.  It  frequently  afflicts  debilitated  and  malnourished  persons,  particularly 
chronic alcoholics. Thick and gelatinous sputum is characteristic, because the organism produces 
an abundant viscid  capsular polysaccharide, which the individual may have difficulty coughing 
up.  Pseudomonas  aeruginosa  is  associated  with  infections  in  cystic  fibrosis  &  in  hospitalized 
patients.  It  is  also  common  in  neutropenic  persons,  usually  secondary  to  chemotherapy;  in 
victims  of  extensive  burns;  and  in  those  requiring  mechanical  ventilation.  P.  aeruginosa  has  a 
propensity  to  invade  blood  vessels  at  the  site  of  infection  with  consequent  extrapulmonary 
spread; Pseudomonas bacteremia is a fulminant disease, with death occurring within a matter of 
days.  Legionella  pneumophila  (the  agent  of  legionnaire  disease)  is  common  with  some 
predisposing  condition  such  as  cardiac,  renal,  immunologic,  or  hematologic  disease.  Organ 
transplant recipients are particularly susceptible. Legionella pneumonia can be quite severe and 
immunosuppressed individuals may have a fatality rate of 30% to 50%.  
 2.  Community-Acquired  Atypical  Pneumonias  denotes  absence  of  physical  findings  of 
consolidation  (due  to  lack  of  alveolar  exudates),  &  only  moderate  elevation  of  WBC  count. 
Mycoplasma  pneumoniae  is  the  most  common  offender.  It  is  particularly  common  among 
children  and  young  adults.  Other  etiologic  agents  are  viruses  (including  influenza  types  A  and 
B),  Chlamydia  pneumoniae  and  Coxiella  burnetti  (Q  fever).  Atypical  pneumonias  may  be 
complicated by secondary bacterial infection due to denudation of the respiratory epithelium that 
inteferes with mucociliary clearance. Viral infections of the respiratory tract are well known for 
this complication.  
Pathologic features of atypical pneumonias 
Regardless of cause, the morphologic patterns are similar. The process may be patchy, or it may 
involve  whole  lobes  bilaterally  or  unilaterally.  Grossly,  there  are    red-blue,  congested  areas. 
Microscopically, the inflammatory reaction is largely confined within the  alveolar walls, which 
are widened by edema & mononuclear inflammatory infiltrate of lymphocytes, histiocytes, and, 
occasionally,  plasma  cells.  In  contrast  to  bacterial  pneumonias,  alveolar  spaces  are  free  of 


background image

cellular  exudates  (Fig.  2-23).  In  severe  cases  ARDS  may  develop.  Identifying  the  causative 
agent  can  be  difficult.  Tests  for  Mycoplasma  antigens  and  polymerase  chain  reaction  (PCR) 
testing  for  Mycoplasma  DNA  are  available.  Patients  with  community-acquired  pneumonia  for 
which  a  bacterial  agent  seems  unlikely  are  treated  with  a  macrolide  antibiotic  effective  against 
Mycoplasma  and  Chlamydia  pneumoniae,  because  these  are  the  most  common  treatable 
pathogens. 
Influenza Infections 
The influenza virus is RNA virus, bound by a nucleoprotein that determines the virus type (A, B, 
or C). The spherical surface of the virus is a lipid bilayer containing the viral hemagglutinin and 
neuraminidase,  which  determine  the  subtype  (e.g.,  H1N1,  H3N2,  etc.).  Host  antibodies  to  the 
hemagglutinin and neuraminidase prevent and ameliorate, respectively, future infection with the 
influenza  virus.  The  type  A  viruses  are  the  major  cause  of  pandemic  and  epidemic  influenza 
infections.  Epidemics  of  influenza  occur  through  mutations  of  the  hemagglutinin  and 
neuraminidase  antigens  that  allow  the  virus  to  escape  most  host  antibodies  (antigenic  drift). 
Pandemics, which last longer and are more widespread than epidemics, may occur when both the 
hemagglutinin  and  neuraminidase  are  replaced  through  recombination  of  RNA  segments  with 
those  of  animal  viruses,  making  all  animals  susceptible  to  the  new  influenza  virus  (antigenic 
shift
).
  Commercially  available  influenza  vaccines  provide  reasonable  protection  against  the 
disease,  especially  in  vulnerable  infants  and  elderly  individuals.  A  particular  subtype  of  avian 
influenza ("bird  flu," H5N1) has  caused massive outbreaks  in  domesticated poultry in  parts of 
Southeast Asia in the last few years; this strain is particularly dangerous, since it has the potential 
to "jump" to humans and thereby cause an unprecedented, worldwide influenza pandemic. 
The  2009  outbreak  of  influenza  A  virus  subtype  H1N1  is  an  epidemic  of  a  new  strain  of 
influenza virus identified in April 2009, commonly referred to as "Swine flu." It is thought to be 
a mutation  of four known strains  of  influenza A virus  subtype H1N1:  one  endemic in  humans, 
one endemic in birds, and two endemic in pigs (swine). The signs of infection with swine flu are 
similar to influenza
. People at higher risk of serious complications include people age 65  years 
and older, children  younger than 5  years old,  pregnant  women, people of any age with  chronic 
medical  conditions  (such  as  asthma,  diabetes,  or  heart  disease),  and  people  who  are 
immunosuppressed.

 

Transmission  is  through

 

Sneezes  or  coughs,  and  contaminated  objects 

(touching  something  with  flu  viruses  on  it  and  then  touching  your  mouth  or  nose).  Influenza 
viruses are not known to be transmissible to people through eating processed pork or other food 
products derived from pigs." 
 
Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) 
This first appeared in the end of 2002 in China, and subsequently spread to several neighboring 
countries  (Hong  Kong,  Taiwan  etc,),  where  large  outbreaks  also  occurred.  Between  2002  and 
2003,  when  the  outbreak  ended,  over  8,000  cases  and  about  750  deaths  had  been  ascribed  to 
SARS. The cause is a previously undiscovered coronavirus (SARS-CoV), which has the ability 
to  infect  the  lower  respiratory  tract  and  induce  viremia.  The  lungs  of  patients  dying  of  SARS, 
usually shows ARDS changes with multinucleated giant cells.  
 
3.  Nosocomial  Pneumonia  (hospital-acquired
) defined as  "pulmonary infections  acquired in 
the  course  of  a  hospital  stay
".  They  are  common  in  hospitalized  persons  with  severe  illness, 
immune suppression, or prolonged antibiotic therapy. Those on mechanical  ventilation  are also 


background image

susceptible; infections  acquired in  this setting  are designated  ventilator-associated pneumonia. 
Gram-negative rods and S. aureus are the most common offenders. 
 
4. Aspiration Pneumonia 
occurs in markedly debilitated patients or those who aspirate gastric 
contents either while unconscious (e.g., after a stroke) or during repeated vomiting. The resultant 
pneumonia is partly chemical, resulting from the extremely irritating effects of the gastric acid, 
and partly bacterial. Recent studies implicate aerobes  (S. pneumoniae, S. aureus, H. influenzae, 
and Pseudomonas aeruginosa
) more commonly than anaerobes (such as Bacteroides). This type 
of pneumonia is often necrotizing with a fulminant clinical course. In those who survive, abscess 
formation is a common complication. 
 
5. Necrotizing pneumonia & Lung Abscess  
Lung  Abscess  
refers  to  "a  localized  area  of  suppurative  necrosis  within  the  pulmonary 
parenchyma,  resulting  in  the  formation  of  one  or  more  large  cavities
".  Necrotizing  pneumonia 
often  coexists  or  evolves  into  lung  abscess,  making  the  distinction  between  the  two  somewhat 
subjective.  The  causative  organism  may  be  introduced  into  the  lung  by  any  of  the  following 
mechanisms: 
a. Aspiration of infective material from carious teeth or infected sinuses or tonsils, as during oral 
surgery,  anesthesia,  coma,  or  alcoholic  intoxication  and  in  debilitated  patients  with  depressed 
cough reflexes.  
b.  Aspiration  of  gastric  contents,  usually  accompanied  by  infectious  organisms  from  the 
oropharynx.  
c. As a complication of necrotizing bacterial pneumonias,
 particularly those caused by S. aureus, 
Streptococcus pyogenes, K. pneumoniae, Pseudomonas
 spp. etc. 
d. Mycotic infections and bronchiectasis 
e. Bronchial obstruction,
 particularly with bronchogenic carcinoma. 
f. within a necrotic portion of a tumor 
g. Septic embolism,
 from septic thrombophlebitis or from infective endocarditis of the right side 
of the heart. 
h.  hematogenous  spread  of  bacteria  in  disseminated  pyogenic  infection  as  with  staphylococcal 
bacteremia.  
Anaerobic  bacteria  are  present  in  almost  all  lung  abscesses,  sometimes  in  vast  numbers,  and 
they are the exclusive isolates in one-third to two-thirds of cases.  
Pathological Features 

  Abscesses vary in diameter from very small lesions to large cavities of 5 cm or more.  

  The  localization  and  number  depend  on  the  mode  of  development.  Pulmonary  abscesses 

resulting  from  aspiration  are  much  more  common  on  the  right  side  (more  vertical  airways), 
and are mostly single (Fig 2-24). In this location, they tend to occur in the posterior segment 
of the upper lobe and in the apical segments of the lower lobe. Abscesses that develop in the 
course of pneumonia or bronchiectasis are commonly multiple, basal, and diffusely scattered. 
Septic emboli and abscesses arising from hematogenous seeding are commonly multiple and 
may affect any region of the lungs.  

  As  the  focus  of  suppuration  enlarges,  it  usually  ruptures  into  airways.  Thus,  the  contained 

exudate may be partially drained, producing an air-fluid level on radiographic examination. 

 
 


background image

Microscopic features 

  There is suppurative liquefactive necrosis (Fig. 2-24 

  Depending  on  the  chronicity,  the  above  may  be  surrounded  by  variably  thickened  fibrous 

tissue  and  mononuclear  infiltration  by  variable  amounts  of  (lymphocytes,  plasma  cells, 
macrophages). 

Complications  
1. Rupture into the pleural cavity
 producing bronchopleural fistulas, the consequence of which is 
pneumothorax or empyema.  
2. Embolization of septic material to the brain, gives rise to meningitis or brain abscess. 
3. Secondary amyloidosis may develop in chronic cases 
Course & prognosis 
The manifestations of a lung abscess are similar to those of bronchiectasis (productive cough of 
copious,  foul  sputum).  Abscesses  occur  in  up  to15%  of  persons  with  bronchogenic  carcinoma; 
thus,  when  a  lung  abscess  is  suspected  in  an  older  person,  underlying  carcinoma  must  be 
considered. Overall, the mortality rate is in the range of 10%. 
 
6.  Chronic  Pneumonia
  is  mostly  a  localized  lesion  in  an  immunocompetent  person,  with  or 
without  regional  lymph  node  involvement.  There  is  typically  granulomatous  inflammation
which may be due to bacteria (e.g., M. tuberculosis) or fungi. In the immunocompromised, there 
is  usually  systemic  dissemination  of  the  causative  organism,  accompanied  by  widespread 
disease 

 

 
7. Pneumonia in the Immunocompromised Host 
The appearance of a pulmonary infiltrate and signs of infection (e.g., fever) are some of the most 
common and serious complications in immunocompromised persons whose immune and defense 
systems  are  suppressed  by  disease,  immunosuppression  for  organ  transplants,  malignancy,  or 
irradiation.  A  wide  variety  of  opportunistic  microorganisms,  many  of  which  rarely  cause 
infection in normal hosts, can cause these pneumonias.  
Examples of pulmonary opportunistic pathogens include  
1. Bacteria (P. aeruginosa, Mycobacterium spp., etc) 
2. Viruses (cytomegalo and herpesvirus viruses) 
3. Fungi (P. jiroveci, Candida spp., Aspergillus spp., and Cryptococcus neoformans).  
Cytomegalovirus Infections  
Cytomegalovirus (CMV), a member of the herpesvirus family, may produce a variety of disease 
manifestations,  depending  partly  on  the  age  of  the  infected  host  but  even  more  on  the  host's 
immune  status.  In  immunosuppressed  adults,  CMV  pneumonia  is  a  serious  problem. 
Histologically,  affected  cells  (alveolar  macrophages,  epithelial  and  endothelial  cells)  are 
characteristically  enlarged,  often  to  a  diameter  of  40  μm,  and  they  show  cellular  and  nuclear 
polymorphism. Prominent intranuclear basophilic inclusions occupying half the nuclear diameter 
are  usually  separated  from  the  nuclear  membrane  by  a  clear  halo  (Fig.  2-32  A).  CMV  in 
immunosuppressed individuals occurs most commonly in recipients of organ & allogeneic bone 
marrow transplants
 as well as patients with AIDSCMV is the most common opportunistic viral 
pathogen  in  AIDS.
  In  all  the  above  settings,  serious,  life-threatening  disseminated  CMV 
infections  occurs;  primarily  pneumonitis,  colitis,  and  retinitis.  The  pneumonia  is  interstitial  in 
type  &  can  progress  to  full-blown  ARDS.  Diagnosis  of  CMV  infections  is  made  by 


background image

demonstration  of  characteristic  morphologic  alterations  in  tissue  sections,  viral  culture,  rising 
antiviral antibody titer, and PCR-based detection of CMV DNA. 
Pneumocystis Pneumonia 
P.  jiroveci
  (formerly  P.  carinii),  an  opportunistic  infectious  agent  long  considered  to  be  a 
protozoan, is now believed to be more closely related to fungi. Virtually all persons are exposed 
to  Pneumocystis  during  early  childhood,  but  in  most  the  infection  remains  latent.  Reactivation 
and  clinical  disease  occurs  almost  exclusively  in  those  who  are  immunocompromised  (very 
commonly  in  AIDS  patients  but  also  in  the  severely  malnourished  infants).  Pneumocystis 
produce  an  interstitial  pneumonitis  with  a  characteristic  intra-alveolar  foamy,  pink-staining 
exudate  with  H&E  stains  ("cotton  candy"  exudate).  Silver  stains  of  tissue  sections  reveal  cup-
shaped  cyst  
in  the  alveolar  exudates  (Fig.  2-32  B).The  most  sensitive  and  effective  method  of 
diagnosis  is  to  identify  the  organism  in  bronchoalveolar  lavage  fluids  or  in  a  transbronchial 
biopsy  specimen.  Immunofluorescence  antibody  kits  and  PCR-based  assays  have  also  become 
available for use on clinical specimens.  
 
Opportunistic Fungal Infection 
1. Candidiasis
 
Candida  albicans  is  the  most  frequent  disease-causing  fungus.  It  is  a  normal  inhabitant  of  the 
oral  cavity.  Systemic  candidiasis  (with  associated  pneumonia)  is  a  disease  that  is  restricted  to 
immunocompromised  patients.  In  tissue  sections,  C.  albicans  demonstrates  yeastlike  forms, 
pseudohyphae,  and  true  hyphae.  The  organisms  may  be  visible  with  routine  hematoxylin  and 
eosin  stains,  but  a  variety  of  special  "fungal"  stains  (methenamine-silver,  periodic  acid-Schiff) 
are commonly used to highlight the pathogens. (Fig. 2-33Candida pneumonia usually presents 
radiographically as bilateral nodular infiltrates, resembling Pneumocystis pneumonia. 
2.  Cryptococcosis  is  caused  by  C.  neoformans  &  is  almost  exclusively  presents  as  an 
opportunistic  infection  in  immunocompromised  hosts,  particularly  those  with  AIDS  or 
hematolymphoid  malignancies.  The  fungus,  5-  to  10-μm  yeast,  has  a  thick,  gelatinous  capsule, 
which is invaluable for the diagnosis (Fig. 2-34). The capsular antigen is the substrate for latex 
agglutination assay, which is positive in more than 95% of patients infected with the organism. 
Human cryptococcosis usually manifests as pulmonary, central nervous system, or disseminated 
disease.
 
3. The Opportunistic Molds: Mucormycosis
 and invasive aspergillosis are uncommon infections 
almost  always  limited  to  immunocompromised  hosts.  The  hyphae  of  Mucormycosis  are 
nonseptate and branch at right angles; in contrast, the hyphae of  Aspergillus species are septate 
and branch at more acute angles (Fig. 2-35). Pulmonary mucormysosis can cause cavitary lung 
lesions or may present radiologically with diffuse "miliary" involvement.  Invasive aspergillosis 
is  associated  with  necrotizing  pneumonia,  the  fungus  tends  to  invade  blood  vessels,  and  thus 
systemic dissemination, especially to the brain, is often a fatal complication. Allergic pulmonary 
aspergillosis
  occurs  in  patients  with  asthma  who  develop  an  exacerbation  of  symptoms  due  to 
reaction  to  the  fungus  growing  in  the  bronchi.  Aspergilloma  ("fungus  ball")  occurs  by 
colonization  of  preexisting  pulmonary  cavities  (e.g.,  ectatic  bronchi  or  lung  cysts,  post-
tuberculous cavitary lesions) by the fungus.  
 
 
 
 


background image

Tuberculosis 

 

Tuberculosis is by far the most important  of the chronic penumonia; it causes 6% of all deaths 
worldwide.  Tuberculosis  is  "a  communicable  chronic  granulomatous  disease  caused  by 
Mycobacterium tuberculosis
".
  It usually involves the lungs but may affect any organ or tissue. 
Tuberculosis  thrives  wherever  there  is  poverty,  crowding,  and  chronic  debilitating  illness; 
elderly, with their weakened defenses, are also susceptible. Certain disease states also increase 
the risk
:  
1. Diabetes mellitus
  
2. Hodgkin lymphoma   
3. Chronic lung disease (particularly silicosis)  
4. Chronic renal failure  
5. Malnutrition & Alcoholism  
6. Immunosuppression including HIV infection
.  
Most  of  these  predisposing  conditions  are  related  to  impairment  of  T  cell-mediated  immunity 
against  the  Mycobacteria.  The  latter  are  slender  rods  that  are  acid  fast,  thus  stained  positively 
with  ZN  stain.  M.  tuberculosis  hominis  is  responsible  for  most  cases  of  tuberculosis. 
Oropharyngeal  and  intestinal  tuberculosis  contracted  by  drinking  milk  contaminated  with 
Mycobacterium  bovis  is  now  rare  in  developed  nations.  Other  mycobacteria,  particularly  M. 
avium-intracellulare
,
  are  much  less  virulent  than  M.  tuberculosis  and  rarely  cause  disease. 
However, it complicates up to 30% of patients with AIDS. 
 
 
Pathogenesis 
Primary TB  

  In  the  previously  unexposed  immunocompetent  individual,  the  source  of  the  organism  is 

exogenous;  this  leads  to  the  development  of  cell  mediated  immunity;  primarily  mediated  by 
T

H

1  cells  primarily  mediated  by  T

H

1  cells,  which  stimulate  macrophages  to  kill  bacteria  but 

this is associated simultaneously with the development of destructive tissue hypersensitivity in 
the form of caseation necrosis.  

  The  virulent  organisms  once  inside  macrophages  impair  effective  phagolysosomal  digestion, 

which  in  turn  leads  to  unrestricted  mycobacterial  proliferation.  Thus,  the  earliest  phase  of 
primary  tuberculosis  is  characterized  by  bacillary  proliferation  within  alveolar  macrophages, 
with  resulting  bacteremia  and  seeding  of  multiple  sites.  Nevertheless,  most  persons  at  this 
stage are asymptomatic; only about 5% of the infected develop significant disease.  

  The activated macrophages release a variety of mediators including secretion of TNF, which is 

responsible for recruitment of monocytes, which in turn undergo activation and differentiation 
into the "epithelioid histiocytes" that characterize the granulomatous response.  

  About 3 weeks are needed for the development of the hypersensitivity reaction. 

Pathological features of primary TB  

  The inhaled bacilli are embedded in the distal airspaces of the lower part of the upper lobe or 

the upper part of the lower lobe, usually close to the pleura.  

  As sensitization develops, a bout1 cm area of gray-white inflammatory consolidation develops 

(the Ghon focus). The center of this focus undergoes caseous necrosis.  


background image

  Tubercle bacilli, either free or within phagocytes, drain to the regional nodes, which also often 

caseate. This combination of Ghon focus and nodal involvement is referred to as the Ghon 
complex
 (Fig. 2-25).  

  During the first few weeks, there is also lymphatic and hematogenous dissemination to  other 

parts of the body.  

  In approximately 95% of cases, development of cell-mediated immunity controls the infection. 

Hence,  the  Ghon  complex  undergoes  progressive  fibrosis,  often  followed  by  radiologically 
detectable calcification, and, despite seeding of other organs, no lesions develop. 

  Microscopically,  there  is  the  characteristic  granulomatous  inflammatory  reaction  that  forms 

both  caseating  and  noncaseating  tubercles.  Individual  tubercles  are  microscopic;  it  is  only 
when  multiple  granulomas  coalesce  that  they  become  macroscopically  visible.  The 
granulomas  are  usually  enclosed  within  a  fibroblastic  rim  with  lymphocytes.  Multinucleate 
giant cells are present in the granulomas. (Fig. 2-26

 
The chief potential harmful outcomes of primary tuberculosis are  
1.  Induction  of  destructive  tissue  hypersensitivity,  which  is  more  damaging  on  subsequent 
infection (secondary TB)  
2. Healed foci of scarring may harbor viable bacilli for  years, and thus be a potential nidus for 
reactivation when host defenses are compromised 
3. The disease progresses relentlessly into  progressive primary tuberculosis (uncommon). This 
occurs  in  immunocompromised  individuals  e.g.  AIDS  patients  or  in  those  with  nonspecific 
impairment  of  host  defenses  (malnourished  children  or  elderly).  Immunosuppression  results  in 
the absence of a tissue hypersensitivity reaction and thus there are no granulomas but only sheets 
of  foamy  histiocytes  packed  with  the  bacilli      (nonreactive  tuberculosis).  Progressive  primary 
tuberculosis  often  resembles  acute  bacterial  pneumonia,  with  lower  and  middle  lobe 
consolidation,  hilar  lymphadenopathy,  and  pleural  effusion;  cavitation  is  rare.  Lympho-
hematogenous  dissemination  may  result  in  the  development  of  tuberculous  meningitis  and 
miliary tuberculosis. 
Secondary Tuberculosis (Postprimary) (Reactivation Tuberculosis)  
Secondary tuberculosis is the pattern of disease that arises in a previously sensitized host. 
Pathogenesis  

  Reactivation of the dormant primary infection (as in nonendemic, low-prevalence areas) or re-

exposure  to  the  bacilli  in  a  previously  sensitized  host  (as  in  endemic  areas)  results  in  rapid 
recruitment  of  defensive  reactions  but  also  tissue  necrosis  (caseation).  This  occurs  when  the 
protection (immunity) offered by the primary infection is weakened. 

  Whatever the source, only less than 5% with primary disease subsequently develop secondary 

tuberculosis.  

  Secondary pulmonary tuberculosis is classically localized to the apex of one or both upper 

lobes. This may relate to high oxygen tension in the apices.  

  Because  of  the  preexistence  of  hypersensitivity,  the  bacilli  excite  a  marked  tissue  response 

that  tends  to  wall  off  the  focus.  As  a  result  of  this  localization,  the  regional  lymph  nodes 
involvement is less prominently than they are in primary tuberculosis.  

  Cavitation occurs readily in the secondary form, & is almost inevitable in neglected cases

As  a  result  erosion  of  airways  occurs;  this  converts  the  patient  into  a  source  of  infection  to 
others; he now raises sputum containing bacilli.  

 


background image

Gross features of secondary TB 

  The initial lesion is usually a small focus of consolidation, less than 2 cm in diameter, near the 

apical  pleura. Such foci  are sharply circumscribed, firm,  and  gray-white to  yellow  areas  that 
have  a  variable  amount  of  central  caseation  and  peripheral  fibrosis.  This,  if  neglected 
progresses to cavitations.  

Microscopic features 

  The  active  lesions  show  characteristic  coalescent  tubercles  with  central  caseation.  TB  bacilli 

can be demonstrated by specific staining methods. (Fig. 2-27)  

Progression of secondary TB 
In  favorable  cases,  the  initial  localized  apical  parenchymal  damage  undergoes  progressive 
healing  by  fibrosis  & eventually  represented by  fibrocalcific scars.  This  happy  outcome occurs 
either spontaneously or after therapy. Alternatively, the disease may progress and extend along 
several different pathways:  
A. Progressive pulmonary tuberculosis: the apical lesion enlarges with expansion of the area of 
caseation.  Erosion  into  a  bronchus  evacuates  the  caseous  center,  creating  a  ragged,  irregular 
cavity  lined  by  caseous  material  (Fig.  2-28);  whereas  erosion  of  blood  vessels  results  in 
hemoptysis.  The  pleural  cavity  is  always  involved  and  serous  pleural  effusions,  tuberculous 
empyema, or fibrous obliteration may develop. 
B.  Miliary  pulmonary  disease  occurs  when  organisms  drain  through  lymphatics  into  the 
lymphatic ducts, which empty into the venous return to the right side of the heart and thence into 
the pulmonary arteries. Individual lesions are either microscopic or small (2-mm) foci of yellow-
white; these scatter diffusely through the lungs (miliary is derived from the resemblance of these 
foci to  millet  seeds
). (Fig. 2-29) Miliary lesions  may  expand and coalesce to  yield  almost  total 
consolidation of large regions or even whole lobes of the lung.  
C.  Endobronchial,  endotracheal,  and  laryngeal  tuberculosis  may  develop  when  infective 
material  is  spread  either  through  lymphatic  channels  or  from  expectorated  infectious  material. 
The mucosal lining may be studded with minute granulomatous lesions. 
D. Systemic miliary tuberculosis occurs when infective foci in the lungs  invade the pulmonary 
venous return to the heart; the organisms subsequently disseminate through the systemic arterial 
system. Almost every organ in the body may be seeded. The appearances are similar to miliary 
pulmonary  disease.  Miliary  tuberculosis  is  most  prominent  in  the  liver,  bone  marrow,  spleen 
(Fig. 2-30), adrenals, meninges, kidneys, fallopian tubes, and epididymis. 
E.  Isolated-organ  tuberculosis  may  appear  in  any  one  of  the  organs  or  tissues  seeded 
hematogenously  and  may  be  the  presenting  manifestation  of  tuberculosis.  Organs  typically 
involved  include  the  meninges  (tuberculous  meningitis),  kidneys  (renal  tuberculosis),  adrenals 
(formerly  an  important  cause  of  Addison  disease),  bones  (tuberculous  osteomyelitis),  and 
fallopian tubes (tuberculous salpingitis). When the vertebrae are affected, the disease is referred 
to as Pott disease. Paraspinal "cold" abscesses in persons with this disorder may track along the 
tissue planes to present as an abdominal or pelvic mass. 
F.  Tuberculous  Lymphadenitis  is  the  most  frequent  form  of  extrapulmonary  tuberculosis, 
usually occurring in the cervical region ("scrofula"). It tends to be unifocal, and most individuals 
do not have evidence of ongoing extranodal disease. 
H. Intestinal tuberculosis was  fairly common as  a primary focus  of tuberculosis contracted by 
the drinking of contaminated milk. In developed countries today, intestinal tuberculosis is more 
often a complication of protracted advanced secondary tuberculosis, secondary to the swallowing 
of  coughed-up  infective  material.  Typically,  the  organisms  are  trapped  in  mucosal  lymphoid 


background image

aggregates  of  the  small  and  large  bowel,  which  then  undergo  inflammatory  enlargement  with 
ulceration of the overlying mucosa, particularly in the ileum.  
The  diagnosis  of  pulmonary  disease  is  based  in  part  on  the  history  and  on  physical  and 
radiographic findings of consolidation or cavitation in the apices of the lungs. However, tubercle 
bacilli must be identified to establish the diagnosis

The  most  common  method  for  diagnosis  of  tuberculosis  remains  demonstration  of  acid-fast 
organisms  in  sputum  by  special  stains  e.g.  acid-fast  stain;  most  protocols  require  at  least  two 
sputum  examinations  before  labeling  the  case  as  sputum  negative.  Conventional  cultures  for 
mycobacteria  require  up  to  10  weeks.  PCR  amplification  of  M.  tuberculosis  DNA  allows  for 
even greater  rapidity of diagnosis 
and is  currently  approved for use. PCR assays  can detect  as 
few  as  10  organisms  in  clinical  specimens,  compared  with  greater  than  10,000  organisms 
required  for  smear  positivity.  However,  culture  remains  the  gold  standard  because  it  also 
allows testing of drug susceptibility.
 
Prognosis  is  generally  favorable  if  infections  are  localized  to  the  lungs,  but  it  worsens 
significantly  when  the  disease  occurs  in  the  setting  of  aged,  debilitated,  or  immunosuppressed 
persons, who  are  at  high risk for developing miliary tuberculosis,  and in  those with  multi-drug 
resistant-TB. Amyloidosis may appear in persistent cases. 
Nontuberculous Mycobacterial Disease 
is mostly in the form of chronic but clinically localized 
pulmonary disease in immunocompetent individuals. Strains implicated most frequently include 
M.  avium-intracellulare.  Nontuberculous  mycobacteriosis  may  present  as  upper  lobe  cavitary 
disease,  mimicking  tuberculosis,  especially  in  individuals  with  a  long-standing  history  of 
smoking or alcoholism.  The presence of concomitant chronic pulmonary disease e.g. COPD, is 
an important risk factor. In immunosuppressed individuals (primarily, HIV-positive patients), M. 
avium-intracellulare presents as disseminated disease, associated with systemic symptoms. 
 
 

LUNG TUMORS 

Bronchial  carcinomas  constitute  95%  of  primary  lung  tumors;  the  remaining  5%  includes 
bronchial carcinoids, sarcomas, lymphomas, and a few benign lesions.  
Pulmonary  Hamartoma  is  the  most  common  benign  lesion;  it  is  rounded,  small  (3-4  cm), 
discrete mass that often displayed as "coin" lesion on chest radiographs. They consist mainly of 
mature  cartilage  with  a  scattered  of  bronchial  glands  that  are  often  admixed  with  fat,  fibrous 
tissue, and blood vessels in varying proportions (Fig. 2-36 
 
Carcinomas 
Carcinoma  of  the  lung  is  the  commonest  cause  of  cancer-related  deaths  in  industrialized 
countries.  The  rate  of  increase  among  males  is  slowing  down,  but  it  continues  to  accelerate 
among females; it has overrun breast cancer as a cause of death since 1987. This is undoubtedly 
related to the strong relationship of cigarette smoking and lung cancer. Most patients are in the 
age group of 50-60 years. The prognosis of lung cancer is very poor: the 5-year survival rate for 
all stages combined is about 15%
.  
There are four major histologic types of lung carcinomas  
1. Squamous cell carcinoma  
2. Adenocarcinoma  
3. Small-cell carcinoma  
4. Large-cell carcinoma.  


background image

Adenocarcinomas  are  the  most  common  primary  tumors  arising  in  women,  in  lifetime 
nonsmokers, and in persons younger than 45 years. For therapeutic purposes, carcinomas of the 
lung  are  divided  into  two  groups:  small-cell  lung  cancer  (SCLC)  and  non-small-cell  lung 
cancer  (NSCLC).  
The  latter  category  includes  squamous  cell,  adenocarcinomas,  and  large-cell 
carcinomas. The reason for this division is that virtually all SCLCs have metastasized by the time 
of  diagnosis  and  hence  are  not  curable  by  surgery.  Therefore,  they  are  best  treated  by 
chemotherapy,  with  or  without  radiation.  In  contrast,  NSCLCs  usually  respond  poorly  to 
chemotherapy  and  are  better  treated  by  surgery.  In  addition,  these  two  groups  show  genetic 
differences. SCLCs are characterized by a high frequency of  RB gene mutations, while the p16 
gene is commonly inactivated in NSCLCs.  
Etiology and Pathogenesis

 

It  seems  that  large  areas  of  the  respiratory  mucosa  have  undergone  mutation  after  exposure  to 
carcinogens ("field effect"). On this fertile soil, those cells that accumulate additional mutations 
ultimately develop into cancer.

  

The  role  of  Cigarette  smoking  is  the  main  agent  responsible  for  the  genetic  changes  that  give 
rise to lung cancers. About 90% of lung cancers occur in  active smokers (or those who stopped 
recently). The increased risk is 60 times greater among habitual heavy smokers (two packs a day 
for 20 years) compared with nonsmokers. Women have a higher susceptibility to carcinogens in 
tobacco than men. Although cessation of smoking decreases the risk of developing lung cancer 
over time, genetic changes that predate lung cancer can persist for many  years in the bronchial 
epithelium of ex-smokers. Passive smoking (proximity to cigarette smokers) increases the risk to 
twice that of nonsmokers.

 

There is a linear correlation between the intensity of smoking and the 

appearance of squamous metaplasia that progresses to squamous dysplasia and carcinoma in situ, 
before culminating in invasive cancer. Squamous and small-cell carcinomas show the strongest 
association with tobacco exposure

 

The  role  of  occupation-related  environmental  agents;  these  may  act  alone  or  synergistically 
with smoking to be pathogenitically related to some lung cancers, for e.g. radioactive oresdusts 
containing  arsenic,  chromium,  uranium,  nickel,  vinyl  chloride,  and  mustard  gas
.  Exposure  to 
asbestos increases the risk of lung cancer 5 times in nonsmokers. However, heavy smoking with 
asbestos exposure increases the risk to 50 times.
 

 

The  role  of  hereditary  (genetic)  factors:  not  all  persons  exposed  to  tobacco  smoke  develop 
cancer. It seems that the effect of carcinogens is modulated by hereditary (genetic) factors. Many 
procarcinogens  require  metabolic  activation  via  the  P-450  enzyme  system  for  conversion  into 
carcinogens. Evidences support this scenario in that persons with specific genetic abnormalities 
of P-450 genes have an increased capacity to metabolize procarcinogens derived from cigarette 
smoke and thus sustain the greatest risk of developing lung cancer. 

 

The  role  of

 

bronchioalveolar  stem  cells  (BASCs)  in  the  development  of  peripheral 

adenocarcinoma: the "cell of origin" for peripheral adenocarcinomas is the BASCs. Following 
peripheral  lung  injury,  the  multipotent  BASCs  undergo  expansion  to  replenish  the  normal  cell 
types  found  in  this  location,  thereby  facilitating  epithelial  regeneration.  BASCs  are  considered 
the  tumor  initiating  cells  i.e.  the  first  to  acquire  the  somatic  K-RAS  mutation  that  enables  their 
daughter  cells  to  escape  normal  "checkpoint"  mechanisms  and  result  in  pulmonary 
adenocarcinomas.

 

 
 
 


background image

Gross Features 

 

Carcinomas of the lung begin as small mucosal lesions that are usually firm and gray-white. 
Further enlargement result in either intraluminal masses, or invasion of the bronchial wall to 
form large bulky masses pushing into adjacent lung parenchyma. Obstruction of the bronchial 
lumen often produces distal atelectasis and infection. (Fig. 2-37)

 

 

Some tumors tend to a rise centrally near the hilum i.e.  in major brochi, these are exemplified 
by  squamous  cell  &  small  cell  carcinomas.  Adenocarcinomas  may  occur  centrally  but  are 
usually  more  peripherally  located,  many  arising  in  relation  to  peripheral  lung  scars  ("scar 
carcinomas").  (Fig. 2-38)

 

 

Large tumors may undergo cavitation; this is caused by central necrosis (Fig. 2-39

 

 

These tumors may extend to the pleura, invade the pleural cavity and chest wall, and spread to 
adjacent intrathoracic structures. (Fig. 2-38) (Fig. 2-40

 

 

Metastasis occurs first to peribronchial, hilar and mediastinal lymph nodes 

 

 

More distant spread can occur via the lymphatics or the hematogenous route.

 

Microscopic features 
Squamous cell carcinomas
 are often preceded for years by squamous metaplasia or dysplasia in 
the bronchial epithelium, which then transforms to  carcinoma in situ, a phase that may last  for 
several  years.  These  tumors  range  from  well-differentiated  showing  keratin  pearls  and 
intercellular bridges to poorly differentiated neoplasms having only minimal residual squamous 
cell features. (Fig. 2-41
Adenocarcinomas  assume  a  variety  of  forms,  including  gland  forming (acinar),  papillary,  and 
solid types
. The solid variant often requires demonstration of intracellular mucin production by 
special stains to establish its adenocarcinomatous nature. (Fig. 2-42

 

Bronchioloalveolar  carcinomas  (BACs)  are  a  subtype  of  adenocarcinomas.  They  involve 
peripheral parts of the lung, either as a single nodule or, more often, as multiple diffuse nodules 
that  may  coalesce  to  produce  pneumonia-like  consolidation.  The  key  feature  of  BACs  is  their 
growth along preexisting structures and preservation of alveolar architecture
. (Fig. 2-43)

 

Large-cell  carcinomas  are  undifferentiated  malignant  epithelial  tumors  that  lack  the  cytologic 
features  of  glandular  or  squamous  differentiation.  The  cells  have  large  nuclei,  prominent 
nucleoli.  (Fig.  2-44)  Large-cell  carcinomas  probably  represent  undifferentiated  examples  of 
squamous  cell  or  adenocarcinomas  at  the  light  microscopic  level.  Ultrastructurally,  however, 
minimal glandular or squamous differentiation is common. 

 

Small-cell lung carcinomas are composed of small tumor cells with a round to fusiform nuclei 
with finely granular chromatin, and scant cytoplasm. Mitotic figures are frequently seen (Fig. 2-
45).  Despite  the  term  of  "small,"  the  neoplastic  cells  are  usually  twice  the  size  of  resting 
lymphocytes.  Necrosis  is  invariably  present  and  may  be  extensive.  These  tumors  are  derived 
from  neuroendocrine  cells  of  the  lung,  and  hence  they  express  a  variety  of  neuroendocrine 
markers in addition to many polypeptide hormones that may result in paraneoplastic syndromes 
(see below).

 

Combined  tumors:  a  minority  of  bronchogenic  carcinomas  reveal  more  than  one  line  of 
differentiation,  sometimes  several,  suggesting  that  all  are  derived  from  a  multipotential 
progenitor cell.

 

 
All subtypes of lung cancer show involvement of successive chains of nodes about the carina, in 
the  mediastinum,  and  in  the  neck  (scalene  nodes)  and  clavicular  regions  and,  sooner  or  later, 


background image

distant  metastases.  Involvement  of  the  left  supraclavicular  node  (Virchow  node)  is  particularly 
characteristic and sometimes calls attention to an occult primary tumor. 

 

These  cancers,  when  advanced,  often  extend  into  the  pericardial  or  pleural  spaces,  leading  to 
inflammation  and  effusions.  They  may  compress  or  infiltrate  the  superior  vena  cava  to  cause 
either venous congestion or the full-blown vena caval syndrome. Apical neoplasms may invade 
the brachial  or cervical  sympathetic plexus  to  cause severe pain  in  the distribution of the ulnar 
nerve or to produce Horner syndrome (ipsilateral enophthalmos, ptosis, miosis, and anhidrosis). 
Such  apical  neoplasms  are  sometimes  called  Pancoast  tumors,  and  the  combination  of  clinical 
findings is known as Pancoast syndrome. Pancoast tumor is often accompanied by destruction of 
the first and second ribs and sometimes thoracic vertebrae. 
As  with  other  cancers,  tumor-node-metastasis  (TNM)  categories  have  been  established  to 
indicate the size and spread of the primary neoplasm.

 

 
Course & prognosis 
Carcinomas  of  the  lung  are  silent  lesions  that  more  often  than  not  have  spread  beyond  curable 
resection  at  the  time  of  diagnosis.  Too  often,  the  tumor  presents  with  symptoms  related  to 
metastatic  spread  to  the  brain  (mental  or  neurologic  changes),  liver  (hepatomegaly),  or  bones 
(pain).  Overall,  NSCLCs  have  a  better  prognosis  than  SCLCs.  When  NSCLCs  (squamous  cell 
carcinomas or adenocarcinomas) are detected before metastasis or local spread, cure is possible 
by lobectomy or pneumonectomy.  SCLCs,  on the other hand, is  almost always  have spread by 
the time of the diagnosis, even if the primary tumor appears small and localized. Thus, surgical 
resection  is  not  a  practical  treatment
.  They  are  very  sensitive  to  chemotherapy  but  invariably 
recur. Median survival even with treatment is 1 year. 
 
Paraneoplastic syndromes 
Up  to10%  of  all  patients  with  lung  cancer  develop  clinically  overt  paraneoplastic  syndromes. 
These include  
1. Hypercalcemia caused by secretion of a parathyroid hormone-related peptide. 
2. Cushing syndrome (from increased production of ACTH); 
3. Inappropriate secretion of ADH  
4.  Neuromuscular  syndromes,  including  a  myasthenic  syndrome,  peripheral  neuropathy,  and 
polymyositis 
5. Clubbing of the fingers and hypertrophic pulmonary osteoarthropathy 
6. Hematologic manifestations, including migratory thrombophlebitis, nonbacterial endocarditis, 
and disseminated intravascular coagulation.  
Hypercalcemia  is  most  often  encountered  with  squamous  cell  carcinomas,  the  hematologic 
syndromes  with  adenocarcinomas.  The  remaining  syndromes  are  much  more  common  with 
small-cell neoplasms, but exceptions occur. 
 
Bronchial  Carcinoids  
are  thought  to  arise  from  the  Kulchitsky  cells  (neuroendocrine  cells)  of 
the  bronchial  mucosa  and  represent  about  5%  of  all  pulmonary  neoplasms.  The  mean  age  of 
occurrence  is  40  years.  Ultrastructurally,  the  neoplastic  cells  contain  cytoplasmic  dense-core 
neurosecretory granules and may secrete hormonally active polypeptides. In contrast to the more 
ominous small-cell carcinomas, carcinoids are often resectable and curable.  
Gross features 
Most bronchial carcinoids originate in main bronchi and grow in one of two patterns 


background image

1. An Obstructing spherical, intraluminal mass (Fig. 2-46
2. A mucosal plaque penetrating the bronchial wall to fan out in the peribronchial tissue.  
Some tumors, (about 10%) metastasize to hilar nodes but distant metastasis is rare.  
Microscopic features 

  They  are  composed  of  nests  of  uniform  cells  that  have  regular  round  nuclei  with  "salt-and 

pepper" chromatin, absent or rare mitoses (Fig. 2-46).  

  A subset designated atypical carcinoid that differ from the typical by  

1. Having higher mitotic rate, cytologic pleomorphism , and focal necrosis 
2.  Having a higher incidence of lymph node and distant metastasis.  
Typical carcinoid, atypical carcinoid, and small-cell carcinoma can be considered to represent a 
continuum of increasing histologic aggressiveness and malignant potential within the spectrum 
of pulmonary neuroendocrine neoplasms. 
Course & prognosis  
Most clinical features are related to their intraluminal growth (cough, hemoptysis, and recurrent 
bronchial  and  pulmonary  infections).  Some  are  asymptomatic  and  discovered  by  chance  on 
imaging  studies.  Only  rarely  do  they  induce  the  carcinoid  syndrome,  characterized  by 
intermittent  attacks  of  diarrhea,  flushing,  and  cyanosis.  The  reported  10-year  survival  rates  for 
typical  carcinoids  are 85%, but  these drop to  35% for  atypical  carcinoids.  Only 5% of patients 
with SCLC are alive at 10 years. 

 
 

THE PLEURA 

Pleural Effusion refers to the presence of fluid in the pleural space. The fluid can be either a 
transudate or an exudate. A transudate is termed hydrothoraxwhich is mostly due to CHF. An 
exudates is characterized by protein content of 3.0 gm/dl or more and, often, inflammatory cells. 
The four principal causes of pleural exudate are 
1.  Microbial  invasion
;  either  direct  extension  of  a  pulmonary  infection  or  blood-borne  seeding 
(suppurative exudates or empyema) 
2. Cancer (lung carcinoma, metastatic cancers to the lung or pleural mesothelioma 
3. Pulmonary infarction 
4. Viral pleuritis 
Less common causes include SLE, rheumatoid arthritis, uremia.  
Cancer should be suspected as the underlying cause of an exudative effusion in any patient older 
than the age of 40, particularly when there is no febrile illness, no pain, and a negative tuberculin 
test  result.  These  effusions  characteristically  are  large  and  frequently  bloody  (hemorrhagic). 
Cytologic examination may reveal malignant and inflammatory cells.  
Pneumothorax  
refers  to  air  in  the  pleural  sac.  It  may  occur  in  young,  healthy  adults,  usually 
men without any known pulmonary disease (spontaneous pneumothorax), or as a result of some 
thoracic  (e.g.  a  fractured  rib)  or  lung  disorder  (secondary  pneumothorax).  Secondary 
pneumothorax occurs with rupture of any pulmonary lesion situated close to the pleural surface 
that  allows  inspired  air  to  gain  access  to  the  pleural  cavity.  Such  pulmonary  lesions  include 
emphysema, lung abscess,  tuberculosis,  carcinoma, etc. Supportive mechanical  ventilation  with 
high pressure may also trigger secondary pneumothorax.  
A  serious  complication  may  occur  through  a  ball-valve  leak  that  creates  a  tension 
pneumothorax
.  This  shifts  the  mediastinum,  which  may  be  followed  by  impairment  of  the 
pulmonary circulation that may be fatal.  


background image

With  prolonged  collapse,  the  lung  becomes  vulnerable  to  infection,  as  does  the  pleural  cavity. 
Empyema is thus an important complication of pneumothorax (pyopneumothorax). 
Hemothorax  
is  the  collection  of  whole  blood  (in  contrast  to  bloody  effusion)  in  the  pleural 
cavity, is a complication of a ruptured intrathoracic aortic aneurysm that is almost always fatal. 
Chylothorax 
is a pleural collection of a milky lymphatic fluid containing microglobules of lipid. 
It  implies  obstruction  of  the  major  lymph  ducts,  usually  by  an  intrathoracic  cancer  (e.g.,  a 
primary or secondary mediastinal neoplasm, such as a lymphoma). 
 
Malignant Mesothelioma 
is a rare cancer of mesothelial cells, usually arising in the parietal or 
visceral pleura. It  also occurs, much less commonly, in the peritoneum and pericardium.  In the 
USA approximately 50% of individuals with this cancer have a history of exposure to asbestos. 
The  latent  period  for  developing  malignant  mesotheliomas  is  long  (25  to  40  years)  after  initial 
asbestos  exposure.  The  combination  of  cigarette  smoking  and  asbestos  exposure  greatly 
increases  the  risk  of  bronchogenic  carcinoma,  but  it  does  not  increase  the  risk  of  developing 
malignant mesotheliomas. 
Gross features 

  These tumors begin in a localized area but in the course of time spread widely.  

  At  autopsy,  the  affected  lung  is  typically  ensheathed  by  a  yellow-white,  firm  layer  of  tumor 

that obliterates the pleural space (Fig. 2-47). 

  The neoplasm may directly invade the thoracic wall or the subpleural lung tissue.  

Microscopic features 

  Mesotheliomas conform to one of three patterns:  

1.  Epithelial,  in  which  cuboidal  cells  line  tubular  and  microcystic  spaces,  into  which  small 
papillary buds project. 
2
Sarcomatoid, in which spindled cells grow in sheets 
3. Biphasic, having both sarcomatoid and epithelial areas. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 26 عضواً و 459 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