Trong những thập niên vừa qua, y học đã đạt được những tiến bộ to lớn trong việc tìm hiểu nhiễm trùng huyết.Điều đáng tiếc là hiện nay các nhà nghiên cứu y học vẫn chưa thể đưa ra một cơ chế sinh lý bệnh hoàn chỉnh,có thể giải thích được tất cả những biểu hiện của nhiễm trùng huyết. Có những giả thuyết khác nhau được đề nghị. Mỗi giả thuyết đều có những ưu điểm và những hạn chế của nó.

Thuyết đáp ứng viêm quá mức

Thuyết đáp ứng viêm quá mức (excessive inflammatory response) trở nên phổ biến nhờ các công trình của Lewis Thomas. Thomas cho rằng: "chính đáp ứng của cơ thể đối với sự hiện diện của vi khuẩn đã gây nên bệnh. Kho vũ khí chống vi khuẩn của chúng ta quá ư mạnh mẽ đến nỗi nó trở nên nguy hiểm hơn bản thân kẻ xâm lược".

Theo giả thuyết này, nhiễm trùng huyết là hậu quả của đáp ứng viêm hệ thống của cơ thể đối với nhiễm trùng nặng,xuất hiện khi những đáp ứng ban đầu của cơ thể trở nên mạnh mẽ và khuếch đại quá mức đến mức không thể kiểm soát được. Trước sự xâm nhập của vi khuẩn,hệ miễn dịch tiên thiên (innate immune system) của cơ thể sẽ hoạt hóa nhiều hệ thống phòng vệ tế bào cũng như dịch thể khác nhau. Hậu quả của quá trình hoạt hóa quá mức này là sự giải phóng các chất trung gian gây viêm (proinflammatory mediator) từ tế bào nội mô, tế bào biểu bì cũng như bạch cầu đa nhân trung tính, đại thực bào và các tế bào lympho. Kết quả cuối cùng của đáp ứng viêm không kiểm soát được này là rối loạn tưới máu các cơ quan cũng như rối loạn vi tuần hoàn (microcirculation), rối loạn đông máu đưa đến hội chứng rối loạn chức năng đa cơ quan (MODS) và đây chính là nguyên nhân gây chết ở bệnh nhân nhiễm trùng huyết.

Thuyết suy giảm miễn dịch

Thuyết đáp ứng viêm quá mức không thể giải thích được tại sao một số bệnh nhân nhiễm trùng huyết lại có những biểu hiện của ức chế miễn dịch như mất hiện tượng quá mẫn muộn(delayedhypersensitivity), mất khả năng làm sạch vi khuẩn và có khuynh hướng dễ mắc nhiễm trùng bệnh viện (nosocomial infection). Hơn nữa các nghiên cứu lâm sàng sử dụng các chất chống viêm đã không mang lại hiệu quả như mong muốn.

Nguyên nhân thứ nhất có thể là do có hiện tượng chuyển từ pha tăng viêm (pro-inflammatory phase) trong giai đoạn sớm của bệnh sang pha chống viêm (anti-inflammatory phase) trong giai đoạn sau khi bệnh đã tiến triển. Người ta cũng phát hiện được rằng các tế bào CD4 được hoạt hóa có thể sản xuất các cytokine gây viêm và ngược lại cũng có thể giải phóng các cytokine kháng viêm. Trong trường hợp thứ nhất, các tế bào CD4 này có chức năng giống tế bào T hỗ trợ type 1 (type 1 helper T cell), nghĩa là chúng sản xuất các chất trung gian điều hòa viêm rất mạnh như yếu tố hoại tử khối u alpha (Tumor Necrosis Factor alpha ), interferon-gamma và interleukin-2. Trong trường hợp thứ hai, các tế bào CD4 này có chức năng giống tế bào T hỗ trợ type 2 (type 2 helper T cell), nghĩa là chúng sản xuất các cytokine chống viêm như interleukin-4 và interleukin-10. Cơ chế nào quy định khi nào tế bào CD4 sẽ có chức năng như tế bào T hỗ trợ type 1 và khi nào chúng sẽ có chức năng như tế bào T hỗ trợ type 2 vẫn chưa được biết đến.

Nguyên nhân thứ hai của tình trạng ức chế miễn dịch rất có thể là do hiện tượng chết tế bào theo chương trình (programmed cell death hay apoptosis). Trong nhiễm trùng huyết, các tế bào lympho, là tế bào chịu trách nhiệm chính trong miễn dịch tập nhiễm, các tế bào niêm mạc đường tiêu hóa, tuyến ức, gan, cơ vân... đều rơi vào hiện tượng chết tế bào theo chương trình này. Hiện tượng này nếu xảy ra càng mạnh mẽ thì hệ miễn dịch của cơ thể càng suy yếu.

Thuyết đông miên tế bào

Khám nghiệm tử thi những bệnh nhân tử vong vì nhiễm trùng huyết phát hiện rằng các tổn thương mô học không phù hợp với mức độ trầm trọng của hội chứng rối loạn chức năng đa cơ quan ở những cá thể này. Hiện tượng chết tế bào ở các cơ quan như tim, gan, thận, phổi tương đối nhẹ nhàng nếu so với biểu hiện lâm sàng suy giảm chức năng các cơ quan này. Rất có thể nhiễm trùng huyết đã làm cho tế bào trong cơ thể trở về trạng thái ít hoạt động nhất mặc dù tổn thương thực thể không quá nặng. Hiện tượng này được gọi là đông miên tế bào (cellular hibernation).

Vai trò của các yếu tố di truyền

Dựa trên các nghiên cứu so sánh biểu hiện và tiên lượng của nhiễm trùng huyết giữa các cặp sơ sinh và giữa các trẻ khác nhau là con nuôi trong một gia đình, người ta nhận thấy yếu tố di truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong nhiễm trùng huyết.

Các đột biến hoặc tính đa hình của các gene mã hóa cho các receptor TNF alpha, Interleukin-1 receptor và Toll-like receptor quyết định mức độ phản ứng viêm và phản ứng kháng viêm trong nhiễm trùng huyết.

Cơ chế gây rối loạn chức năng đa cơ quan

Nguyên nhân gây tử vong ở bệnh nhân nhiễm trùng huyết là rối loạn chức năng đa cơ quan. Một cách điển hình, đầu tiên bệnh nhân sẽ xuất hiện rối loạn chức năng một cơ quan ví dụ như suy hô hấp cần phải thông khí nhân tạo và sau đó nếu bệnh không được kiểm soát thì dần dần các cơ quan khác cũng bị suy chức năng. Có một mối tương quan chặt chẽ giữa độ nặng của suy chức năng cơ quan ở thời điểm nhập viện vào phòng hồi sức với xác suất sống sót và tương quan giữa số lượng các cơ quan bị rối loạn chức năng với nguy cơ tử vong. Nếu có 4 đến 5 cơ quan cùng bị rối loạn chức năng thì tỉ lệ tử vong lên đến 90% mặc dù được điều trị tốt đến mức độ nào đi nữa.

Bệnh sinh của rối loạn chức năng đa cơ quan do nhiều nguyên nhân và cũng chưa được biết tường tận. Giảm tưới máu tổ chức và thiếu ôxy tế bào là những yếu tố then chốt. Các cơ chế này liên quan đến sự lắng đọng fibrin lan tỏa gây nên tắc nghẽn vi tuần hoàn. Tình trạng tăng tính thấm vi mạch (microvascular hyperpermeability) cũng làm tồi tệ hơn nữa sự cung cấp ôxy cho tế bào và các rối loạn hằng định nội môi của vi tuần hoàn đưa đến sự sản xuất các chất vận mạch như yếu tố hoạt hóa tiểu cầu (Platelet Activating Factor: PAF), histamine và các prostanoid. Thâm nhiễm tế bào, đặc biệt là bạch cầu đa nhân trung tính, đưa đến hiện tượng phá hủy tổ chức do phóng thích các enzyme tiêu thể (lysosomic enzyme) và các gốc tự do ôxy hóa (oxydative free radicals) có nguồn gốc từ superoxide (O2-). TNF- và các cytokine khác làm tăng biểu hiện của men tổng hợp Nitric Oxide (NO) cảm ứng (inducible nitric oxide synthase: iNOS) và sự tăng sản xuất NO này làm cho mạch máu càng mất ổn định và cũng có thể góp phần vào ức chế cơ tim trực tiếp trong nhiễm trùng huyết.

Thiếu ôxy tổ chức xuất hiện trong nhiễm trùng huyết được phản ánh bằng khái niệm nợ ôxy- nghĩa là sự chênh lệch giữa lượng ôxy cung cấp và lượng ôxy theo nhu cầu. Mức độ nợ ôxy có liên quan đến tiên lượng của nhiễm trùng huyết và các chiến lược điều trị được thiết kế nhằm tối ưu hóa khả năng cung cấp ôxy cho tổ chức có thể cải thiện khả năng sống sót. Ngoài hiện tượng thiếu ôxy, tế bào còn có thể mắc chứng loạn sử dụng ôxy (dysoxygenation), nghĩa là tế bào không có khả năng sử dụng ôxy vốn đã ít ỏi trong nhiễm trùng huyết. Các dữ liệu gần đây gợi ý rằng đây có thể là hậu quả của tình trạng NO tăng cao quá mức vì các mẫu sinh thiết tế bào cơ vân ở bệnh nhân nhiễm trùng huyết cho thấy bằng chứng của suy giảm hô hấp ở ti thể (mitochondrion). Chuỗi hô hấp này bị ức chế bởi NO.