1

Principle of Inflammation

and Repair

Natapol Supanatsetakul MD, PhD. Department of Pathology

Faculty of Medicine, Naresuan University 13 มกราคม 2557

TOPICS

Inflammation – Inflammatory cells – Acute inflammation – Chronic inflammation

Tissue repair

INFLAMMATION

Complex reactions in response to injurious agents that affect the body, fundamentally a protective response Inflammation consists of 1. Vascular response 2. Cellular response (Migration and activation of leukocytes) 3. Systemic response

5 Cardinal signs of Inflammation

ปวด Pain (dolor)

บวม Swelling (tumor)

แดง Redness (rubor)

รอน Heat (calor)

สูญเสียหนาที่การทํางาน Loss of function

(functio laesa) Suffix –itis : Appendicitis, Myocarditis

Otitis, Neuritis, etc.

2

Vascular and cellular reactions are mediated by chemical factors, derived from plasma proteins or cells (Cytokines) and are produced in response to or activated by the stimuli Inflammation is divided into – Acute inflammation – Chronic inflammation

Inflammatory Cells

Neutrophil Macrophage Lymphocyte Plasma cells

Neutrophils

เปนเซลลอักเสบ (inflammatory cells) ที่พบเปนสวนมากในการอักเสบ

แบบเฉียบพลัน (Acute inflammation) โดยเฉพาะในชวง 6 -24 ชั่วโมง

แรก จะมีการกระตุน และเพิ่มจํานวน มาในบริเวณที่เนื้อเยื่อเกิดการ

บาดเจ็บ หรือการติดเชื้อ

เปนเซลลเม็ดเลือดขาว (Leukocytes) ชนิดที่มีแกรนูลจําเพาะ

(specific granules) มีขนาดเสนผานศูนยกลางประมาณ 10-15 μm

หรือขนาดประมาณ 2 เทาของเม็ดเลือดแดง นิวเคลียสมีประมาณ 2-5

lobes โครมาตินติดสีเขมทึบ specific granule มีขนาดเล็ก ละเอียด ติด

สีชมพูอมมวง เรียกวา Neutophilic granules

http://www.chronicprostatitis.com/images/neutrophil.jpg http://faculty.une.edu/com/abell/histo/neutrophil.jpg

Neutrophil

3

Neutrophils in Tissue Macrophages

Macrophages (หรือเซลลที่เรียกวา monocytes ในขณะที่อยูในกระแสเลือด)

เปนเซลลอักเสบ (inflammatory cells) ที่พบมากในการอักเสบแบบเรื้อรัง

(chronic inflammation) โดยจะเริ่มเขามามีบทบาทในเนื้อเยื่อใน 24-48 ชั่วโมง

ภายหลังจากการบาดเจ็บ

ในเนื้อเยื่อ จะเห็น macrophages เปนเซลลขนาดใหญ มีนิวเคลียสเดี่ยว ภายใน

cytoplasm จะประกอบดวยเศษซากเซลลที่ macrophages เก็บกินดวยวิธี

phagocytosis

Macrophages มีชื่อเรียกแตกตางกันตามชนิดของเนื้อเยื่อที่พบ เชน Kupffer

cells ในเนื้อเยื่อตับ, alveolar macrophages ในเนื้อเยื่อปอด, microglial cells

ในเนื้อเยื่อระบบประสาทสวนกลาง

Macrophages

Monocyte in blood smear

Lymphocytes

เปนเซลลอักเสบที่มีบทบาทในการอักเสบชนิดเรื้อรัง (chronic

inflammation) และในระบบภูมิคุมกัน (immune system) โดยจะมีการ

สงสัญญาณกระตุนซึ่งกันและกัน ระหวาง lymphocytes และ

macrophages

Small lymphocytes จะมีขนาดใหญกวาเม็ดเลือดแดงเล็กนอย

นิวเคลียสมีขนาดใหญเกือบเต็มเซลล โครมาตินหยาบ ติดสีเขม และ

เรียงตัวชิดติดกันแนน เซลลมี cytoplasm สีฟาออนใส ปริมาณนอยจน

บางครั้งแทบมองไมเห็น cytoplasm ได

4

Lymphocytes Plasma cells

เปนเซลลที่พัฒนาจาก activated B lymphocytes ใหสามารถสราง และ

หลั่ง antibody ออกมาจับกับ antigen ในเนื้อเยื่อที่เกิดกระบวนการ

อักเสบ โดยเฉพาะในกระบวนการอักเสบแบบเรื้อรัง

Plasma cells เปนเซลลที่มีขนาดประมาณ 2-3 เทาของเม็ดเลือดแดง

นิวเคลียสรูปกลม หรือรูปไข คอนไปขางใดขางหนึ่งของเซลล (Eccentric

nucleus) โครมาตินหยาบเปนปน พบลักษณะนิวเคลียสคลายซี่ลอเกวียน

(cartwheel nucleus) cytoplasm มีปริมาณมาก ติดสีฟา และเห็น

ชองวางขาวติดกับนิวเคลียส (perinuclear halo)

Plasma cells ACUTE INFLAMMATION

Rapid response to an injurious agent that serves to deliver mediators of host defense (leukocytes and plasma proteins) to the site of injury

5

Three majors components: 1. Alterations on vascular caliber that lead

to an increase in blood flow

2. Increase vascular permeability due to vascular structural change that permits fluid, plasma protein (fibrin, complement) and leukocytes to leave the circulation

3. Emigration of the leukocytes from the microcirculation to the stimulated site

Stimuli for Acute inflammation

Infections and microbial toxins Trauma Physical and chemical agents Tissue necrosis Foreign bodies Immune reactions

Vascular Changes Changes in vascular flow and caliber – Brief vasoconstriction and Vasodilation – Earliest manifestation of acute inflammation – Stasis increased blood viscosity – Quickly followed by increased vascular

permeability

Increased vascular permeability – Hallmark of acute inflammation – Protein and fluid leakage from the vascular lumen

to the interstitial space

6

Extravascular fluid

Exudate : high protein concentration, turbid Transudate : low protein concentration, clear

Pus or purulent exudate (หนอง) : leukocytes-rich exudate with cellular debris

Cellular Events Migration of neutrophils to the site of injury :

Margination Rolling Adhesion Transmigration (diapedesis) Migration chemotaxis

7

CHEMICAL MEDIATORS OF INFLAMMATION

Mediators originate either from plasma or from cells The production is triggers by microbial products or by host proteins, or by other chemical mediators Mediators perform activity by binding their specific receptors (specificity) One mediator can stimulate the release of other mediators (cascade) Mediators have different effects on different cell types Most mediators are short-lived

Chemical mediators

Vasoactive amines: Histamine Plasma proteins: complement system, kinin system, clotting and fibrinolytic system Arachidonic acid metabolites: prostaglandins, leukotrienes, thromboxanes Cytokines and chemokines: Interleukin-1(IL-1), Tumor necrotic factor (TNF) Nitric oxide (NO)

Effects of Chemical mediators

Pain: Prostaglandin, bradykinin Increased vascular permeability, edema Vasodilation: histamine, NO Fever, acute phase symptoms: IL-1, TNF Tissue damage Chemotaxis, leukocyte recruitment and activation

8

OUTCOME OF ACUTE INFLAMMATION

การหายเปนปกติ (Complete resolution)

การซอมแซม (Healing by connective tissue

replacement, Fibrosis หรือ scar)

การอักเสบแบบเรื้อรัง (Chronic inflammation)

MORPHOLOGIC PATTERN OF ACUTE INFLAMMATION

Serous inflammation – Burn – Inflammation in the body cavity

Fibrinous inflammation – Severe injury, results in greater vascular

permeability – Leakage of fibrinogen (plasma protein)

Suppurative or purulent inflammation – Inflammation with pus or purulent exudate

formation – Acute appendicitis – Acute meningitis – Abscess : localized collections of purulent

inflammatory tissue – Fibrinopurulent inflammation

9

Abscess (ฝ)

Focal collection of pus (consisting of neutrophils, necrotic cells, and edema fluid) Abscess has a central, largely necrotic region rimmed by a layer of preserved neutrophils, and completely walled off by connective tissue

http://missinglink.ucsf.edu/lm/DermatologyGlossary/img/ Dermatology%20Glossary/Glossary%20Clinical%20Images/Abscess.jpg http://www.microscopyu.com/galleries/pathology/index.html

Skin Abscess

Lung abscess

Liquefactive necrosis : Lung abscess

เนื้อเยื่อปอดที่ตายจะมีการยอยสลายโดยเอนไซม hydrolase จากเซลล

อักเสบ ทําใหเนื้อเยื่อเละ ไมเหลือเคาโครงเดิม

Ulcers (acute or chronic) – Local defect or excavation of the surface of

an organ or tissue – Epithelial layer (mucosa) is lost – Most common encounter in

GI mucosa : oral ulcer, peptic ulcer Subcutaneous tissue : skin ulcer

10

https://www.bcbsri.com/BCBSRIWeb/images/image_popup/r7_ulcers.jpg

CHRONIC INFLAMMATION

Inflammation of prolonged duration (weeks or months) in which active inflammation, tissue destruction, and attempts at repair are proceeding simultaneously.

Cause of chronic inflammation

Persistent infection Prolonged exposure to potentially toxic agents, either exogenous or endogenous Autoimmunity

Morphologic features

Infiltration with mononuclear cells, including macrophages, lymphocytes and plasma cells (Acute inflammation = Neutrophils) Tissue destruction Healing by connective tissue replacement of damaged tissue (fibrosis, scar)

11

https://www.med.illinois.edu/m34/clerkships/surgery/student/other/path/slides/Cholelithiasis%20&%20Chronic%20Cholecystitis.jpg

http://www.pathology.vcu.edu/education/gi/MacronodularCirrhosisHepatitisC.jpg

Chronic cholecystitis with gall stones

Chronic hepatitis with progressive to cirrhosis

Granuloma

Granulomatous inflammation A distinctive pattern of chronic inflammation Characterized by +/- central caseous necrosis, activated epithelioid macrophage (histiocyte), multinucleated giant cells, and peripheral lymphocytes Mycobacterium tuberculosis infection, leprosy, Syphilis, Sarcoidosis

http://www.pathologyatlas.ro/tuberculous-lymphadenitis-granuloma.php

TB Granuloma http://www.pathologyatlas.ro/tuberculous-lymphadenitis-granuloma.php

12

Granulomatous inflammation Epithelioid histiocytes

Caseous necrosis

lymphocytes

TOPICS

Inflammation – Acute inflammation – Chronic inflammation

Tissue repair

REPAIR

To restore the normal structure, functions and survival of the organism Tissue-proliferative activity

TISSUE-PROLIFERATIVE ACTIVITY

Labile tissue (continuous dividing tissue) – Epithelium (Epidermis, GI tract epithelium) – Hematopoietic cells in bone marrow

Stable tissue (quiescent tissue) – Liver – Kidney – Mesenchymal tissue : fibroblasts, smooth

muscle Permanent tissue (nondividing tissue) – Neuron and brain tissue – Cardiac and striated muscle

13

REPAIR

Type of Repair Regeneration (การงอกใหม) Healing with scar formation

(การซอมแซมเนื้อเยื่อและเกิดแผลเปน) Fibrosis (tissue scar) (การเกิดแผลเปนพังผืด)

HEALING, SCAR FORMATION AND FIBROSIS

Induction of an inflammatory processes Proliferation and migration of parenchymal and connective tissue cells Formation of new blood vessels (angiogenesis) and granulation tissue Hallmark of healing : proliferation of fibroblasts and endothelial cells to form granulation tissue

14

Granulation tissue

CUTANEOUS WOUND HEALING

Inflammatory process Granulation tissue formation Re-epithelialization Extracellular matrix deposition wound contraction and tissue remodeling First intention wound Second intention wound

HEALING BY FIRST INTENTION

24 hr : migration of neutrophils, re-epithelialization Day 3 : migration of macrophages, granulation tissue formation, collagen synthesis

Day 5 : more granulation tissue formation and collagen synthesis, bridge in the incision, epidermis recover normal thickness Week 2 : continue proliferation of fibroblasts and collagen deposition 1 month : complete scar formation

15

HEALING OF SECOND INTENTION More inflammatory process More granulation tissue formation More wound contraction : myofibroblasts Thinning of new epithelium

WOUND STRENGTH 1 week : 10% 3 months : 70-80%

COMPLICATION IN CUTANEOUS WOUND HEALING

Inadequate formation of granulation tissue and scar formation – Wound dehiscence (แผลแยก)

Excessive formation of the repair components – Hypertrophic scar – Keloid

Formation of contracture

References

สุภรณ พงศะบุตร, บรรณาธิการ, “ตําราพยาธิวิทยาทั่วไป.”,

ภาควิชาพยาธิวิทยาและนิติเวชศาสตร, โกลบอลพริ้นท, 2551, หนา

41-89.

Kumar V., Cotran R.S., Robbins S.L., “Robbins Basic Pathology,

7th edition.” Saunders, 2003, p.33-78.