本病的病原是伤寒杆菌属沙门菌属D族(组)，革兰染色阴性，呈短杆状长1～3.5μm，宽0.5～0.8μm，周有鞭毛能活动，不产生芽胞，无荚膜。在普通培养基上能生长。因胆汁中的色氨酸及类脂可作为伤寒杆菌的营养成分，故在含有胆汁的培养基中生长较好。
伤寒杆菌在自然界中的生活力较强在水中一般可存活2～3周，在粪便中能维持1～2月，在牛奶中不仅能生存且可繁殖，能耐低温，在冰冻环境中可持续数月但对光、热，干燥及消毒剂的抵抗力较弱日光直射数小时即死，加热至60℃经30分钟或煮沸后立即死亡，在3%石炭酸中5分钟即被杀死消毒饮水余氯达0.2～0.4mg/L可迅速致死。
伤寒杆菌只感染人类，在自然条件下不感染动物。此菌本身不产生外毒素，在菌体裂解时可释放强烈的内毒素，对本病的发生和发展起着较重要的作用。以少量内毒素注射于人或家兔静脉内，可引起寒战，发热不适和白细胞减少，这些现象和伤寒病人的表现极相类似。伤寒杆菌的菌体(“O”)抗原鞭毛(“H”)抗原和表面(“Vi”)抗原均能产生相应的抗体，但这些并非保护性抗体。由于“O”及“H”抗原性较强故常用于血清凝集试验(肥达反应)以辅助临床诊断，亦可用以制做伤寒菌苗供预防接种。“Vi”抗原见于新分离(特别是从病人血液分离)的菌株能干扰血清中的杀菌效能和吞噬功能，是决定伤寒杆菌毒力的重要因素。但抗原性不强所产生的“Vi”抗体的凝集效价一般较低且为时甚短;当病原菌从人体中清除后，“Vi”抗体滴度迅速下降。“Vi”抗体的检出虽对本病的诊断无多大帮助但却有助于发现带菌者。含有“Vi”抗原的伤寒杆菌可被特异的噬菌体裂解。利用“Vi”Ⅱ型噬菌体可将伤寒杆菌分为约100个噬菌体型对追踪传染源有帮助。
伤寒杆菌随污染的水或食物进入消化道后一般可被胃酸杀灭，若入侵病菌数量较多，或胃酸缺乏时致病菌可进入小肠，依靠鞭毛侵入肠粘膜，此时部分病菌即被巨噬细胞吞噬并在其胞浆内繁殖部分则经淋巴管进入回肠集合淋巴结，孤立淋巴滤泡及肠系膜淋巴结中生长繁殖。此阶段病人并无症状，相当于临床上的潜伏期。
伤寒杆菌不断在淋巴组织内(以肠系膜淋巴结为主)增殖并且死亡，释放出内毒素，使淋巴组织肿胀。同时伤寒杆菌可经淋巴管一过性地侵入血流引起菌血症。毒素入血则引发毒血症，引起发热等症状。此时若进行血培养，则易为阳性。由于骨髓中网状内皮细胞摄取伤寒杆菌最多，持续时间也较长，故培养阳性率最高。此时相当于疾病的第一周。
随后，伤寒杆菌随血流散布至全身生长繁殖。由于网状内皮组织丰富的器官如肝、脾、骨髓、淋巴结等摄取菌较多，因而引起更严重的全身中毒现象及各脏器的病变。引起第二次严重菌血症并释放强烈的内毒素，产生发热全身不适等临床症状，出现皮肤玫瑰疹和肝，脾肿大等。此时相当于病程的第2—3周，毒血症状逐渐加重，血培养常为阳性，骨髓中伤寒杆菌最多，持续时间较长，故培养阳性率最高病程第2～3周。经胆管进入肠道随粪便排出经肾脏随尿液排出，此时粪便，尿液培养可获阳性经胆管进入肠道的伤寒杆菌，部分穿过小肠粘膜再度侵入肠壁淋巴组织，在原已致敏的肠壁淋巴组织中产生严重的炎症反应和单核细胞浸润(即ⅳ型超敏反应)引起坏死，脱落而形成溃疡，若波及病变部位血管可引起出血若侵及肌层与浆膜层则可引起肠穿孔，此外，伤寒杆菌也可在其他组织引起化脓性炎症如骨髓炎肾脓肿、胆囊炎、脑膜炎 、心包炎等。
病程第4周开始人体产生的免疫力渐次加强，表现为体液免疫和细胞免疫功能增强，吞噬细胞作用加强等伤寒杆菌从血流与脏器中逐渐消失，肠壁溃疡渐趋愈合，疾病最终获得痊愈。少数病例可能由于免疫功能不足等原因，潜伏在体内的伤寒杆菌可再度繁殖并侵入血流引起复发。
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