Hội chứng đáp ứng viêm hệ thống
Miễn dịch-sinh lý bệnh của SIRS

Những phát hiện rằng đáp ứng viêm xảy ra giống nhau cho dù nguyên nhân ban đầu khác nhau gợi ý có thể có một con đường sinh lý bệnh chung nhất cho tất cả các quá trình bệnh lý này. Các bằng chứng ngày càng nhiều đã ủng hộ cho giả thuyết nêu trên. Đó là sự sản xuất các cytokine gây viêm (proinflammatory cytokines), các phân tử bám dính (adhesion molecules), các chất trung gian vận mạch (vasoactive mediators) và các gốc tự do oxy hóa (reactive oxygen species-ROS) trong tiến trình đáp ứng miễn dịch-viêm, một quá trình chung nhất cho SIRS và nhiễm trùng huyết.
Trong nhiễm trùng huyết, sự hoạt hóa các tế bào hệ miễn dịch tiên thiên/hệ miện dịch tự nhiên mà chủ đạo là các thực bào đơn nhân xuất hiện khi cơ thể phản ứng với  lipopolysaccharide (LPS) hay còn được gọi là nội độc tố (endotoxin), một thành phần quan trọng trong vách của các vi khuẩn Gram âm. Trong tuần hoàn, LPS gắn với protein gắn lipopolysaccharide (lipopolysaccharide binding protein). Phức hợp này sau đó gắn với CD14, một thụ thể (receptor) bề mặt màng tế bào của các dại thực bào và các tế bào đơn nhân lưu hành trong máu và hoạt hóa các tế bào này. Các tác nhân khác có thể kích thích đáp ứng của cơ thể theo phương cách tương tự bao gồm các ngoại độc tố (exotoxin) của vi khuẩn Gram dương hay các sản phẩm của quá trình hoạt hóa bổ thể mà điển hình là bổ thể C5a.
Cytokine là những glycoprotein có trọng lượng phân tử thấp, hòa tan. Hoạt động của chúng là điều hòa các đáp ứng miễn dịch tiên thiên và miễn dịch đặc hiệu. Ngoài ra chúng cũng đóng vai trò là các chất trung gian điều hòa viêm. Mỗi một loại cytokine có thể được sản xuất bởi nhiều loại tế bào khác nhau và có thể tác động lên nhiều tế bào đích khác nhau theo nhiều con đường khác nhau tùy theo nồng độ cũng như thời điểm. Ở nồng độ thấp, các cytokine hoạt động như là một chất cận tiết (paracrine), trong khi ở nồng độ cao như trong nhiễm trùng huyết các cytokine có tác dụng nội tiết và phát huy tác động trên toàn bộ cơ thể.
Một số các cytokine đóng vai trò quan trọng trong miễn dịch sinh lá bệnh của SIRS và nhiễm trùng huyết là TNF α (tumour necrosis factor α), các interleukin (IL- IL-1, IL-8, IL-6, IL-10, IL-4, IL-13), interferon γ và yếu tố phát triển chuyển dạng β (transforming growth factor β). Có mối tương quan giữa nồng độ lưu hành của các cytokine như TNF α, IL-1 β, IL-6, IL-8 và IL-10 với tỉ lệ tử vong và bệnh tật ở những bệnh nhân nhiễm trùng huyết. Quá trình sản xuất các cytokine trong SIRS và nhiễm trùng huyết được xem như hiệu ứng chuỗi phản ứng nghĩa là có sự khuếch đại dần dần của quá trình này. Tuy nhiên, có thể hiểu một cách phù hợp và đúng đắn hơn thì quá trình này như là sự tương tác của một mạng lưới tinh tế và phức tạp.
TNF α và IL-1 β được sản xuất với một lượng lớn bởi các tế bào bạch cầu đơn nhân khi chúng phản ứng với nội độc tố. Hai cytokine kích thích làm tăng sản xuất lẫn nhau và kích thích sản xuất IL-6, IL-8 và IL-10. TNF α và IL-1 β gây sốt, hoạt hóa hệ thống đông máu và điều hòa phản ứng viêm thông qua sự sản xuất IL-8 và thông qua kích thích biểu hiển các phân tử bám dính. Il-6 đến lượt nó lại kích thích sản xuất các protein pha cấp từ gan (CRP, fibrinogen, orosomucoide...) và ức chế ngược chính quá trình sản xuất TNF α và IL-1 β. Nồng độ IL-6 tăng cao trong máu có liên quan đến tiên lượng xấu ở bệnh nhân nhiễm trùng huyết. Tuy nhiên điều này có thể phản ánh mức độ nặng của bệnh chứ không phải Il-6 là nguyên nhân gây nên bệnh nặng. Điều hòa biểu hiện của các gene mã hóa cho các cytokine này phụ thuộc vào các yếu tố sao mã, đặc biệt là NF-kB. Bệnh nhân nhiễm trùng huyết có mức NF-kB tăng cao thì thường có tiên lượng xấu hơn.
Cơ thể đáp ứng với các chất trung gian gây viêm này bằng các đáp ứng đối trọng, thường được biết dưới thuật ngữ đáp ứng kháng viêm bù trừ (compensatory counter-inflammatory response-CARS). Nói một cách cụ thể thì đây là sự sản xuất các cytokine kháng viêm nội sinh cũng như các chất đối vận của cytokine (cytokine antagonist). Một số các cytokine kháng viêm như IL-4, IL-10 và IL-13 ức chế sản xuất cytokine gây viêm bởi các tế bào bạch cầu. Chất đối vận của thụ thể IL-1 là một chất đối vận của cytokine có tính hòa tan có khả năng ức chế hoạt động của IL-1 thông qua sự gắn cạnh tranh vào thụ thể của IL-1. Thụ thể hòa tan của TNF là những thụ thể hiện diện trong tuần hoàn sau khi bị cắt khỏi tế bào chủ. Vai trò của chúng có thể như là một chất đối vận thông qua việc gắn với TNF và làm mất hoạt tính sinh học của phân tử này.
Tiêm IL-10 làm giảm sự sản xuất TNF α và giảm tỉ lệ tử vong trong khi sử dụng kháng Il-10 lại làm tăng tỉ lệ tử vong ở động vật thực nghiệm.