Οι παθοφυσιολογικοί μηχανισμοί της σήψεως είναι πολύπλοκοι, ως αποτέλεσμα δράσεων που δορομολογούνται από κυκλοφορούντα μικροβιακά προϊόντα, όπως τα εκ πολυσακχαριστών συστατικά (ενδοτοξίνες) των τοιχωμάτων των gram αρνητικών μικροοργανισμών.
Οι παθοφυσιολογικές εξελίξεις επί σήψεως άρχονται από εκσημασμένη ενδοθηλιακή βλάβη που εντοπίζεται στην εστία της λοιμώξεως, και εξ αιτίας της οποίας αυξάνεται η αγγειακή διαπερατότητα, που διευκολύνει την εξαγγείωση κοκκιοκυττάρων και συστατικών του πλάσματος να κατακλύσουν την εστία της φλεγμονής, που μπορεί να απολήξει σε ανεπάρκεια του οργάνου.
Πιστεύεται ότι το λιπίδιο Α, που αποτελεί συστατικό των πολυσακχαριτών του τοιχώματος, και μέρος της ενδοτοξίνης τους, των gram αρνητικών μικροβίων είναι ισχυρότατο ανοσοτροποποιητικό και ευθύνεται για το πλείστο των τοξικών δράσεων των παθογόνων. Η ενδοτοξίνη, αρχικά συνδέεται με μια πρωτεΐνη του πλάσματος, που συνδέει τον λιποσακχαρίτη του μικροβιακού τοιχώματος (: lipopolysaccharide-binding protein). Το σύμπλεγμα αυτό ενεργοποιεί υποδοχείς στα μακροφάγα (CD14), που ενεργοποιούνται για παραγωγή και απελευθέρωση σειράς μεσολαβητών της φλεγμονής (κυτοκίνες). Εμπλέκεται πληθώρα προφλεγμονωδών παραγόντων, όπως ο ογκονεκρωτικός παράγων [TNF- α], οι ιντερλευκίνες, IL-1, IL-6 και οι αντιφλεμονώδεις μεσολαβητές, όπως ο ανταγωνιστής των υποδοχέων της IL-1, IL-4 και IL-10. Η IL-8, ο ενεργοποιητής των αιμοπεταλίων (PAF) και ποικιλία προσταγλανδινών, λευκοτριενίων και θρομβοξάνης, αναμιγνύονται, επίσης. Η Il-6 είναι καλύτερος δείκτης σήψεως, επειδή παραμένει σε υψηλές συγκεντρώσεις στο αίμα, παρ΄ό,τι ακόμη και αυτός ο ΤNF-α.
Ο TNF-α θεωρείται ο πρωταγωνιστής, καθώς οι συγκεντρώσεις του αυξάνονται πρώιμα στις φλεγμονώδεις απαντήσεις επί σήψεως και συσχετίζονταιμε τη βαρύτητα της σήψεως. Η απλευθέρωση του ΤΝF-α δρομολογεί διαδικασίες, με τις οποίες ενεργοποιούνται άλλες κυτοκίνες, με αποστολή την κυτταρική καταστροφή. Επίσης ενεργοποιεί την απελευθέρωση του αραχιδονικού οξέος, από τις κυτταρικές μεμβράνες, το οποίο, στη συνέχεια, μεταβολίζεται μέσω κυκλοξυγενάσης ή/και λιποξυγενάσης προς παραγωγή και απελευθέρωση καταρράκτη βιοδρατικών ουσιών, όπως οι προσταγλανδίνες, τα λευκοτριένια, οι θρομβοξάνες, που συνεργούν στη βλάβη των ενδοθηλιακών κυττάρων.
Οι προφλεγμονώδεις παράγοντες, στη σήψη, έχουν, επίσης, προπηκτική και αντι-ινολυτική δράση. Έτσι, οι συγκεντρώσεις της πρωτεΐνης C (ινοδωλυτική και αντιφλεγμονώδης πρωτεΐνη) μειώνεται δραστικά επί σήψεως.
Ταυτόχρονα, αυξάνονται και οι συγκεντρώσεις αντιφλεγμονωδών παραγόντων, όπως ο αναστολέας των υποδοχέων IL-1, IL-4 και IL-10, που αναστέλλουν την παραγωγή προφλεγμονωδών κυτοκινών. Το τελικό απτέλεσμα ποικίλλει, ανάλογα από το βαθμό ενεργοποιήσεως των κυττάρων-στόχων, και την ικανότητά τους να απελευθερώνουν μεσολαβητές που ενισχύουν ή αναστέλλουν την αρχική διεργασία. Περίσσεια προφλεγμονωδών μεσολαβητών μπορεί να προκαλέσουν σύνδρομο συστηματικής φλεγμονώδους απαντήσεως (: systemic inflammatory response syndrome, SIRS) που ακολουθείται από αντιρροπιστικό σύνδρομο αντιφλεγμονώδους απαντήσεως (: compensatory antiinflammatory response syndrome).
Οι εκπεμπόμενες από τους μικροοργανισμούς ενδοτοξίνες ενεργοποιούν το συμπλήρωμα, το οποίο, με τη σειρά του, ενισχύει τις φλεγμονώδεις απαντήσεις με την προσέλκυση λευκοκυττάρων, μέσω ενισχύσεως της χημοταξίας, την φαγοκύτωση, την απελευθέρωση λυσοσωμιακών ενζύμων, την αύξηση της συγκολλήσεως και συσσωματώσεως αιμοπεταλίων και την παραγωγή τοξικών ελεύθερων οξειδωτικών ριζών.
Το παθογνωμονικό αιμοδυναμικό εύρημα της σήψεως είναι ένα υπεδυναμικό σύνδρομο που χαρακτηρίζεται από