本菌自呼吸道侵入，依菌毛血凝抗原附著於纖毛上皮並在局部繁殖，引起局部炎症及纖毛麻痺，呼吸道中粘液排出障礙，堆積瀦留，堆積物不斷刺激神經末梢導致痙攣性咳嗽，咳畢因出現深長吸氣，急速的氣流通過痙攣、狹窄的聲門，發出高聲調的吼聲，即雞鳴聲，直至分泌物排出，劇咳方止。
長期咳嗽，在咳嗽中樞形成興奮灶，以致在恢復期或病癒後短期內，受到一些非特異性刺激和其他感染可誘發百日咳樣咳嗽。
病理變化可見呼吸道上皮細胞壞死、脫落。支氣管甚至肺泡周圍間質有炎性細胞浸潤。分泌物阻塞氣管可出現肺不張、支氣管擴張等。並發腦炎者腦組織可有充血、水腫、出血及神經細胞變性。
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