Respiratory System: Structure and Function

Dr Dalia El Marakby  1    RESPIRATORY SYSTEM  •   The respiratory system consists of 2 lungs + many tubes.  •   The respiratory system is divided into:   I- Conducting portion.       II- Respiratory portion.  I- Conducting Portion :  It has two functions:  1-  Conduction of air:   2-  Conditioning of inspired air:   - provided with  cartilage + collagen  fibers to:    * Prevent collapse. * Ensure continuous supply of air. - provided with  elastic fibers + smooth muscles  for:    flexibility and extensibility  Clean, moist & warm  by:  - The  pseudostratified  columnar  ciliated  with  goblet  cells.   -The  vascular  network,  serous  &  mucous  glands   in  the  C.T. under epithelium   •   It includes   nasal cavity, nasopharynx, larynx, trachea, bronchi, bronchioles, terminal bronchioles.    II - Respiratory Portion:        •   Functions:  It is the site of gas exchange between blood and inspired air.      •    It includes  respiratory bronchioles, alveolar ducts, alveolar sacs, alveoli.         

    2    I. CONDUCTING PORTION  NASAL CAVITIES  •   The nasal cavity consists of the external vestibule and the internal nasal fossae.  1- The Vestibule                2- The Nasal Fossae  *  Is  the  anterior  dilated  portion  of the nasal cavity.  * They are two chambers separated by bony nasal septum.  *  Lined  with  hairy  keratinized  stratified  squamous  epithelium ,  the  epithelium  has  thick  short  hairs  (vibrissae)  that  filter  out  large  particles from the inspired air. *Deeper epithelium changed  to  non-keratinized stratified  squamous.   * Extending From the lateral wall of each nasal fossa 3 bony shelf-like projections ( superior,  middle and inferior conchae ).  *  The middle and inferior conchae  are covered with  respiratory epithelium .   *  The superior conchae  are covered with  olfactory epithelium.   *  The  lamina  propria  of  the  conchae:  loose  C.T.     contains  large  venous  plexuses   (swell  bodies) ,  mucous & serous glands .   *  Function:  improve  the conditioning of  the inspired air  by increasing the  surface area  of  respiratory mucosa (epithelium & underlying C.T.).    N.B . -  Allergic reactions  and inflammation can cause abnormal congestion of swell bodies of both nasal fossae, limiting air flow.            -  Epistaxis:  Hemorrhage from the nose, arising in the cavity or in sinuses leading into it.        The  epithelium  that  lines  most  of  the  conducting  portion  is  pseudostratified  columnar  ciliated  with  goblet cells (Respiratory Epithelium).  Epithelial cell types:  Five cell types are recognized.      

    3    1-  Ciliated columnar cells:  2-  Mucous goblet cells:  3-  Brush cells:   4-  Basal cells:   5-Small granule cells:    The most abundant cells.  The next most numerous.        * Columnar ciliated cells  (300 motile cilia/cell).    *The apical cytoplasm contains  basal bodies   of  cilia  &  many mitochondria   which supply energy for ciliary beating.   *Their  apical portions  are filled with mucin granules .    *  Columnar  cells  with  abundant  apical microvilli .  *They have  basal afferent nerve .   *  Small,  rounded cells  on the basal lamina but do not reach the  lumen.     *They have  numerous basal dense  granules.     *They  push mucus with  bacteria & dust  in one  direction outwards  *They  secrete mucus   that covers the epithelium and traps bacteria & dust  particles.   *They act as  sensory receptors.    *They are  stem  cells  that  replace other cell  types.     *They are  neuroendocrine cells   belonging to  APUD .  *Secrete hormones like  serotonin  and catecholamines  that control  diameter of airways & blood vessels and regulate mucous and serous secretions .     •   N.B.   In  smokers ,  there  is  accumulation  of  mucus  in  the  small  airways.  This  is  occurring  either  due  to  reversed  ratio  between ciliated cells and goblet cells or paralysis of the cilia.   Olfactory Area  •   It covers the  roof & superior conchae  of the nasal cavities.  •   It is lined by  olfactory mucosa =  olfactory epithelium  +  lamina propria of C.T .    A-  Olfactory epithelium:  •   It is the  neuroepithelium  responsible for  smell  sensation.  •   It is a  modified pseudostratified columnar ciliated epithelium but with no goblet cells .  •   It is much  thicker than respiratory epithelium . Formed of 3 types of cells 

    4                        1-  Olfactory neurons  2-  Sustentacular (supporting) cells    3-   Basal cells   * Bipolar nerve cells .  * Tall columnar cells  with wide cylindrical  apexes& narrow bases.   * Small pyramidal cells .      *The level of their nuclei is between those of supporting and basal cells.   *Their dendrites end in olfactory swelling  (olfactory  vesicle)  with multiple basal bodies, from which arise  cilia. * Cilia  are  few ,  very long, non-motile.  They increase  surface area for odorous substance.   *  Axons  of the cells pass to the lamina propria where  they form the  olfactory nerve fibers.   * Apical microvilli  submerged in a fluid  layer.       *Cytoplasm contains  apical yellow  lipofuscin granules  which  gives olfactory mucosa its yellow color       *  Junctional complexes  bind  supporting cells to olfactory cells.   * They have  basophilic  cytoplasm (free ribosomes) and round nuclei.   * They are  stem cells  for  both sensory and supporting cells.     Diagram of olfactory epithelium.  A . shows details of area squared in  B .  Olfactory cilia  Microvilli  Junctional  complex  Axon  Sustentacular cell  Basal cell  Dendrite  Olfactory  receptor cell  B  A 

    5    B-  Lamina propria:   •   It is a dense C.T that contains:   a-   Olfactory nerve bundles .   b-  Bowman’s glands  that secrete serous fluid that passes through ducts to the surface. This fluid act as medium around the  olfactory cilia where the odorous substances dissolve.  N.B. Olfactory neurons are the only neurons that can highly regenerate due to high capacity of stem cells.    Differences between Respiratory & Olfactory Mucosa:     Olfactory Mucosa  Respiratory Mucosa  1.  E pithelial thickness  Thicker   Thinner  2.   Goblet cells  Absent  Present  3.   Cilia  olfactory cells have few long non motile cilia   Has numerous true cilia   4 . Basement membrane  Thin  Thick  5. Bowman ’ s glands  Present   Absent  6.   Pigment .   Present in sustentacular cells   Absent   PARANASAL SINUSES  •   They are paired closed cavities in the frontal, maxillary, ethmoid and sphenoid bones of skull.   •   They are lined with  thinner respiratory epithelium  with  few goblet cells .     N.B.   Sinusitis  is an inflammation of the sinuses. It may be acute or chronic.   NASOPHARYNX  •   It is the first part of the pharynx.  •   It is  lined  with  respiratory epithelium +  lamina propria  contains  mucous glands ,  pharyngeal tonsils   &  openings of  the 2 Eustachian tubes. 

    6    LARYNX  •   It connects the pharynx with the trachea.is  lined with :  1-   Respiratory  epithelium   except  the  true  vocal  cords   and  lingual  surface  of  epiglottis   which  are  covered  with  stratified squamous epithelium.  2-   Lamina propria  contains laryngeal cartilages.  Laryngeal cartilages  Large cartilages  Thyroid, cricoid, and most of the arytenoids   hyaline  cartilages  Calcify with age  Small cartilages  Epiglottis, cuneiform, corniculate and the tip of the arytenoids  elastic  cartilages.  Don ’ t calcify         Vocal Cords  •   The vocal cords include two pairs of folds that extend in the lumen of larynx.    False vocal cords   (vestibular folds)   True vocal cords     The  upper pair   The  lower pair   1-lining   Respiratory epithelium.    Non keratinized stratified squamous epithelium.   2- function   Prevent food & fluid from entering larynx.   Production of voice  Functions:   1-Production of voice by the true vocal cords. 2-Prevent food and fluid from entering the respiratory passages by epiglottis & false vocal cords.  3-Maintain open air way by the laryngeal cartilages.  TRACHEA  •   It is about 12 cm long.  •   It extends from the larynx to the bifurcation into 2 primary bronchi.  •   Its wall is formed of 4 layers: 

    7    1-Mucosa:      a)  Epithelium:   Respiratory epithelium  (pseudostratified columnar ciliated with goblet cells)    b)  Lamina propria:  loose C.T with  elastic fibers .    c)  Elastic membrane:  condensation of  elastic fibers .  2- Submucosa:  Loose C.T containing lymphoid nodules and mucous & serous glands.  3-Fibrocartilaginous coat: *Dense C.T contains 20 C- shaped (incomplete) rings of hyaline cartilage  (keep the trachea  always open).   *The  gaps  between  the  free  ends  of  the  rings   face  the  esophagus  posteriorly  and  are  bridged  by  fibroelastic  ligament  (prevents  overdistension)  and  by  smooth  trachealis  muscle  bundles  (constrict  the  lumen  and  increase  the  force  of  air  flow during coughing and forced expiration).  4-  Adventitia:   loose C.T.     Muco                                              Epithelium                                                          Pseudo.str. colu. Cil            with goblet.                                               Lamina propria       Elastic membrane              Submucosa        Tracheal glands        Lymphatic nodule       Fibro cartilagenous layer       

    8    Bronchi and Bronchioles  * The trachea divides into  2 primary or extrapulmonary bronchi  which have the  same structure as trachea .  *Primary bronchi penetrate the hilum of each lung forming  intrapulmonary or secondary bronchi  that divide giving rise to  bronchioles   Differences between Extrapulmonary & Intrapulmonary bronchi    Extrapulmonary bronchus  Intrapulmonary bronchus  Lumen  Wider & less folded .  Narrower & more folded  Mucosa: Lining   elastic membrane   *Lined with pseudostratified columnar ciliated epithelium with many goblet cells.  *Separates mucosa from submucosa.   *The same epithelium with less goblet cells.  *Absent but lamina propria is rich in elastic fibers & lymphatic follicles.  Submucosa  Present   Absent   Cartilage  C-shaped (incomplete) rings of hyaline cartilage  multiple plates of hyaline cartilage in adventitia  Smooth muscles  Present posteriorly at the ends of C-shaped cartilage.  Arranged spirally & encircle the whole lumen  Mucoserous glands and lymphatic nodules  In the submucosa   In the adventitia in between the cartilage plates    Differences between Intrapulmonary bronchi &bronchioles    Intrapulmonary bronchus  Bronchiole  Mucosal epithelium:   pseudostratified columnar ciliated epithelium with few goblet cells  Simple columnar or cuboidal ciliated  with  Clara   cells (no goblet cells) Cilia gradually disappear as the bronchioles become smaller.  Musculosa:   Less developed spirally arranged  smooth  muscles. Its contraction → short and less  bronchial diameter   More developed, circularly arranged  smooth  muscles. Its contraction controls the flow of air to sites of gas exchange. 

    9    Adventitia:  Cartilage plates  Mucoserous glands Lymphatic nodules   Present  Present  Present   Absent  Absent  Absent  N.B. Bronchitis  is inflammation of the mucous membrane of the   bronchi which appears congested with swollen mucous glands.       Clara cells:  - L.M.  Dome shaped, non-ciliated cells.  - E.M.  basal r-ER and apical s-ER, mitochondria, Golgi & glycoprotein granules.  -Functions:   1-  Secretion  of  a  surfactant  like   material  which  reduces  surface  tension  of  bronchioles  and  maintains  their  patency  (sER&  golgi).  2- Protection of bronchiolar epithelium  via glycoproteins in their granules  (rER & Golgi).   3-  Protection against   emphysema  by inhibiting  macrophage- secreted proteases & elastase.   4- Degradation of toxins  in the inhaled air  (sER).   5-  Act as stem cells  for other types.    N.B. Bronchial Asthma  is an allergic condition, in which spasm of bronchiolar smooth muscle causes constriction of bronchioles  and difficulty during respiration.         II. RESPIRATORY PORTION    The wall of this part enables the gas exchange. It includes: 

    10            Alveolar epithelium if formed of 2 types of cells:  type I & II pneumocytes             1.Respiratory bronchioles:  2. Alveolar ducts:  3. Alveolar sacs:  4. Alveoli:  *The region of transition between the  conducting portion and respiratory  portion.    Mucosa:  *  Epithelium:   simple cubical ciliated  with Clara cells,  cilia absent in distal  portion.   * C.T. corium:  rich in elastic fibers  Musculosa:  thin layer of smooth muscle  fibers.  Adventitia:  loose C.T.  *The wall is interrupted with the  openings of some alveoli, where gas  exchange occurs.    * The free terminations  of respiratory  bronchioles.      *  Lined Completely  by openings of  alveoli & alveolar  epithelium         *   Smooth muscles   are present at the  openings of alveoli.    *   Group of adjacent  alveoli opens into a  common central  space.    * Lined with alveolar  epithelium.          * No muscle.  * The structural and functional units of  gas exchange.  * Open into alveolar sacs, alveolar  ducts & respiratory bronchioles.    * Lined with the alveolar epithelium .   *Between their walls there are alveolar  pores (of Kahn).  These pores  equalize pressure between alveoli &  provide collateral circulation of air  when a bronchiole is obstructed.   

    11    N.B.  Respiratory  Distress  Syndrome:   Deficiency  of  pulmonary  surfactant  is  associated  with  premature  labour  leading  to  respiratory distress.    Interalveolar walls (septa):      These are delicate septa separating adjacent alveoli .  *Formed of loose C. T. containing:   •   have the richest  capillary network  in the   body.   •   For gas exchange  •   Elastic fibers  •   to allow expansion of the lung during inspiration.  •   Reticular fibers  •   to support lung tissue and prevent over-expansion that may injure  the delicate blood capillaries.   •    Extravasated leucocytes  especially  monocytes    •   monocytes act as alveolar phagocytes.    Type I pneumocvtes (squamous alveolar cells):  Type II pneumocytes (great alveolar cells):  *Percentage   97%   3%   *LM:  *Flat squamous cells  *Flat nuclei. * Little cytoplasm.  * Cuboidal cells  bulging in air spaces.   * Central round nucleus .  *  Foamy cytoplasm .  *EM:         *Functions:  * Few organelles around the nucleus .   * Small  pinocytic  vesicles   (turnover  of  pulmonary  surfactant.   -  Tight junctions with type I& II .      1-Provide a very thin membrane for  gas   exchange .     2-Prevent  leakage  of  tissue  fluid  into  the  alveolar  cavity by tight junction.      * Rich in mitochondria, ribosomes, rER and  . " secretory cells body “ Golgi    developed - well            * Membrane bound multilamellar bodies  (cytostomes)   *Free surface with short microvilli.      1-  Secretion of pulmonary  surfactant ,    for both types.   tem cells S   - 2  

    12    N.B.  Emphysema  is abnormal permanent enlargement of the alveoli. It results from the destruction of the inter-alveolar septa by  proteases and elastases secreted by lung macrophages (dust cells). It is  mainly caused by cigarette smoking that inhibits the protein responsible for destruction of those proteases and elastase.    Blood-air barrier:  •   It represents the structures through which gas exchange occurs.   •   It comprises four layers:    1 –  Film of  pulmonary surfactant  on the alveolar surface.    2 –  Cytoplasm of  type I pneumocytes.    3 –   Fused  basal  lamina   type  I  pneumocytes  and  capillary  endothelial cells.    4 –  Cytoplasm of  endothelial cells  of blood capillaries.  Alveolar Phagocytes:               Dust cells:  Heart failure cells:  Origin   Blood monocytes   Site   bulging from the  interalveolar wall  or free  inside  alveoli.   Function   Engulf  dust   Engulf  RBCs  in congestive heart failure  Cytoplasm   dust particles  brick red color Hemosiderin granules  Stain   Vital stain  e.g.  trypan blue    Fate   a-Migrate  into  bronchioles  to  be  coughed  in  the sputum. b-Exit the lung through lymphatic drainage. c-Remain in the interalveolar septa.   Components of the interalveolar wall and blood-air barrier.  Elastic fibers  Blood-air barrier  Type I pneumocyte  Type II  pneumocyte  Alveolar  macrophage  Reticular fibers  Blood  capillary  Endothelium of blood  capillary 

    13     Pleura:   • Serous membrane which has 2 layers:    visceral pleura:  covering the lungs    parietal pleura:  lining thoracic cavity   •   Both layers are lined by:   flat mesothelial cells +  loose C.T.  rich in elastic fibers.  •   The 2 layers are separated by a thin film of fluid to: 1-   Lubricate the sliding movement.  2-    Reduce friction between the lung surfaces and the thoracic walls during respiratory movements.  Fetal lung:    • The lung has no function in fetus, so it is collapsed in the intrauterine life.   •   It is characterized by:      1 –  Its  lobes and lobules are clear  due to presence of thick C.T. septa.       2- The fetal lung is  similar to gland  (branches of  bronchiolar tree are similar to ducts  and  alveoli are similar to acini ).           3-The  alveoli are collapsed  and lined by  simple cubical epithelium .       4-Its  bronchi and bronchioles are folded .    5- The  cartilage plates  are present around the bronchi, and this  differentiates fetal lung from a gland.  6-   pulmonary blood vessels are  congested .  7-   Lung sinks  in water & this has a  medicolegal importance .   Structural Changes in the respiratory airway:   1)   Epithelial changes:   decrease gradual in  thickness.  2)   The lamina propria  decreases gradual in thickness.   3)   Cilia and Goblet Cells:  decreases gradual. goblet cells are stopped before cilia as the produced mucus should be cleared  by the cilia.   4)   Serous & mucous glands  decreases gradually.  5)   Cartilage changes:  decrease gradually then disappear.  6)  Smooth Muscle changes:   In trachea: Trachealis at the free ends of C-shaped cartilage                                                           In intra pulmonary bronchi: spirally arranged.                                                          In bronchioles: circularly arranged.                                                            In alveolar ducts: at the openings of alveoli.              In alveolar sacs: completely absent.

    14