白喉的病變分為局部假膜性炎症及外毒素引起的毒血症兩方面。白喉桿菌侵入咽部粘膜後即在粘膜表層組織中生長繁殖，一般不引起菌血症。白喉桿菌產生的外毒素為致病的主要因素，該毒素有A、B兩個片段，B片段無直接的毒性，但當它與細胞表面受體結合，A片段即進入細胞內，從而對細胞發生直接致死作用。其病變表現為局部粘膜上皮細胞壞死，並逐漸擴大融合，同時可見局部粘膜血管擴張充血，大量纖維蛋白滲出。滲出的纖維蛋白與壞死細胞、白細胞和細菌凝結在一起，覆蓋在破壞的粘膜表面，形成本病的特徵性假膜。假膜一般為灰白色，有混合感染時呈黃色或污穢色，伴出血時呈黑色。假膜質地緻密，開始薄，繼之變厚，邊緣較整齊，不易脫落，用力剝脫時可出血。假膜形成處及周圍組織呈輕度充血腫脹。假膜可由扁桃體向咽峽、鼻、喉、氣管、支氣管等處擴展，鼻咽、氣管處的假膜易於脫落造成呼吸窒息。假膜範圍愈廣泛，毒素吸收量愈大，中毒症状亦愈重。如毒素始吸附於細胞表面，可為抗毒素所中和，若已進入細胞內，則不能被抗毒素中和。
外毒素與各組織細胞結合後可引起全身性病變化。其中以心肌、末梢神經、腎上腺等較著。心肌細胞混濁腫脹，有脂肪變性、玻璃樣及顆粒樣變性，間質水腫、重者肌纖維可斷裂、心肌壞死及單核細胞浸潤，傳導束可受累。神經病變多見於末梢神經，髓鞘常呈脂肪變性，神經軸索腫脹、斷裂、感覺神經和運動神經均可受累，但經運動神經為主。麻痹多發生在眼、咽、喉部肌肉，也可發生於四肢。腎臟可呈混濁腫脹及腎小管上皮細胞脫落。肝細胞可呈脂肪變性，肝小葉呈中央壞死。
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