ภาวะพิษเหตุติดเชื้อส่วนมาก (ราวร้อยละ 70) เกิดจากแบคทีเรียรูปแท่งแกรมลบที่ผลิตสารชีวพิษภายในตัว (endotoxin-producing Gram-negative bacilli) สารชีวพิษภายในตัวดังกล่าวนี้คือไลโปโพลีแซคคาไรด์ (lipopolysaccharides; LPS) ที่ผนังเซลล์แบคทีเรีย ซึ่งประกอบด้วยแกนเป็นกรดไขมันที่มีพิษชื่อว่า ไลปิด เอ (lipid A) ที่พบได้ในแบคทีเรียแกรมลบทั่วไป และเปลือกโพลีแซคคาไรด์เชิงซ้อน (เช่น โอ แอนติเจน (O antigen)) ที่แตกต่างกันในแต่ละสปีชีส์ นอกจากนี้โมเลกุลของผนังเซลล์แบคทีเรียแกรมบวกและฟังไจก็อาจกระตุ้นให้เกิดภาวะช็อกเหตุพิษติดเชื้อได้

สาร LPS อิสระที่ไหลเวียนในกระแสเลือดจะจับกับโปรตีนที่ทำหน้าที่จับกับ LPS เกิดเป็นโมเลกุลเชิงซ้อนที่จะไปจับกับตัวรับจำเพาะชื่อว่า CD14 บนโมโนไซต์ แมโครฟาจ หรือนิวโตรฟิล การจับกันของสารเชิงซ้อนดังกล่าวกับ CD14 ทำให้เกิดการส่งสัญญาณภายในเซลล์ผ่านทางโปรตีน "Toll-like receptor" protein 4 (TLR-4) ทำให้เกิดการกระตุ้นเซลล์เม็ดเลือดขาวนิวเคลียสเดียว และทำให้สร้างไซโตไคน์ เช่น อินเทอร์ลิวคิน-1 (interleukin-1; IL-1) และทูเมอร์ เนโครซิส แฟคเตอร์ แอลฟา (Tumor necrosis factor-α; TNF-α) ไซโตไคน์ที่สร้างขึ้นจะทำงานบนเซลล์เยื่อบุโพรง (endothelial cells) และมีผลกระทบหลากหลาย เช่น ลดการสร้างแฟคเตอร์ในกระบวนการแข็งตัวของเลือด เช่น ทรอมโบโมดูลิน (thrombomodulin) ผลของไซโตไคน์อาจถูกทำให้เพิ่มขึ้นได้จากการทำงานของ TLR-4 บนเซลล์เยื่อบุโพรง

การกระตุ้นผ่านทาง TLR ช่วยกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันแต่กำเนิดเพื่อช่วยให้การกำจัดเชื้อโรคมีประสิทธิผลมากขึ้น

ในภาวะช็อกเหตุพิษติดเชื้อ คือกรณีที่มีระดับ LPS สูงก็มีการกระตุ้นไซโตไคน์และสารตัวกลางเช่นเดียวกับในภาวะปกติแต่มีระดับสูงและรุนแรงกว่า ทำให้หลอดเลือดขยายตัวทั่วร่างกาย (ความดันโลหิตต่ำ) กดการบีบตัวของหัวใจ การกระตุ้นและการบาดเจ็บของเซลล์เยื่อบุโพรงโดยทั่วเป็นเหตุให้เกิดการยึดเกาะของเม็ดเลือดขาวกับเซลล์เยื่อบุโพรงทั่วร่างกาย และเกิดการทำลายหลอดเลือดฝอยถุงลมในปอด การกระตุ้นระบบการแข็งตัวของเลือดอย่างมากมายทำให้เกิดภาวะเลือดแข็งตัวในหลอดเลือดแบบแพร่กระจาย (disseminated intravascular coagulation; DIC)

ภาวะที่เลือดไปเลี้ยงเนื้อเยื่อไม่เพียงพอซึ่งเป็นผลร่วมกันจากหลอดเลือดขยายตัวอย่างมาก การบีบตัวของหัวใจล้มเหลว และภาวะเลือดแข็งตัวในหลอดเลือดแบบแพร่กระจายส่งผลให้ระบบอวัยวะหลายระบบล้มเหลว ได้แก่ ตับ ไต และระบบประสาทกลาง หากการติดเชื้อที่ดำเนินอยู่ไม่ได้รับการรักษาอย่างทันท่วงทีอาจทำให้ผู้ป่วยเสียชีวิตได้

PD-1 และการกระตุ้นโมโนไซต์/แมโครฟาจ

สารชื่อว่า PD-1 พบว่าเพิ่มปริมาณขึ้นในเม็ดเลือดขาวชนิดโมโนไซต์/แมโครฟาจในขณะเกิดภาวะพิษเหตุติดเชื้อในมนุษย์และหนู การเพิ่มขึ้นนี้สัมพันธ์กับการเพิ่มระดับของอินเทอร์ลิวคิน-10 (interleukin-10; IL-10) ในเลือด[4] ที่น่าสนใจคือ Said และคณะค้นพบว่าโมโนไซต์ที่ถูกกระตุ้นดังเช่นกรณีของภาวะพิษเหตุติดเชื้อจะมีระดับของ PD-1 สูงขึ้น และจะไปเหนี่ยวนำ PD-1 ที่แสดงบนเซลล์โมโนไซต์โดยใช้ไลแกนด์ PD-L1 ไปชักนำให้เกิดการสร้างอินเทอร์ลิวคิน-10 ซึ่งจะไปยับยั้งการทำงานของCD4 ทีเซลล์[5]