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百日咳是由百日咳杆菌引起的- 革兰氏阴性小杆菌（球杆菌）。它们具有脆弱的荚膜，不能移动，严格需氧，对外界影响高度敏感：阳光直射会在1小时内杀死细菌，消毒剂会在几分钟内杀死细菌，并产生外毒素（百日咳毒素、淋巴细胞增多刺激因子）。此外，百日咳病原体的抗原结构包括丝状血凝素、保护性凝集素原、气管细胞毒素、皮肤坏死毒素、溶血素等。
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百日咳博德特氏菌进入上呼吸道粘膜，在柱状上皮细胞中繁殖，并通过支气管途径扩散至小支气管、细支气管和肺泡。百日咳不伴有菌血症。毒素在发病机制中起主要作用，毒素作用于呼吸道粘膜，引起咳嗽。由于毒素长时间刺激呼吸道粘膜神经受体，导致咳嗽呈现痉挛性发作，呼吸节律紊乱（吸气暂停）。痉挛性咳嗽（呼吸暂停）时呼吸节律紊乱导致肺通气受损、血流动力学紊乱，并伴有缺氧和低氧血症。大脑皮层血液循环障碍可伴有局灶性改变和抽搐。延髓中，由于持续不断的冲动流到达，呼吸道感受器受到长时间的刺激，形成了以AA Ukhtomsky为主型的持续性兴奋中心。各种非特异性刺激物均导致痉挛性咳嗽加重。
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