近年来，对于一种由内皮细胞损伤引发的疾病的研究逐渐深入。其中，大肠杆菌和志贺痢疾杆菌Ⅰ螺旋细胞毒素被认为是典型的致病因素。除此之外，其他神经氨基酶、循环抗体，以及病毒、细菌等药物也可能引发内皮损伤。
人类血管内皮细胞拥有接受螺旋细胞毒素的糖脂质受体（GB3）。当毒素进入体内，会抑制真核细胞的合成蛋白，导致细胞死亡。肾小球内皮细胞的损伤和死亡会引发一系列连锁反应，如内皮细胞与肾小球基底膜分离形成内皮下间隙，刺激局部血管凝血和纤维素血素沉积，从而影响肾脏的过滤功能，严重时可能导致肾小球过滤率下降和急性肾衰竭。
内皮细胞的损伤也会激活血小板，使其粘附和凝聚，从而引发凝血反应。另一方面，存在于血小板和内皮细胞中的v聚糖蛋白vonWillebrand因子（VWF）在细胞损伤后释放，进一步加速了血小板的粘附和凝聚。抗血小板凝聚的前沿环素（PGI2）合成的减少以及结血栓素A2的释放也会促进血栓形成。
当嗜中性粒细胞浸润时，释放的弹性蛋白酶和其他蛋白质水解酶会加剧内皮细胞和肾小球基底膜的损伤，从而促进VWF裂解、抑制PGI2生长并促进血栓形成。微生物的脂蛋白多糖及单核细胞产生的细胞因子如白细胞介素Ⅰ和肿瘤坏死因子也会增加细胞毒素的作用，进一步损伤内皮细胞并促进凝血。
肾脏是主要病变部位之一。除了肾脏，脑、肾上腺、肝、脾、心肌和肠道等器官也会出现血栓形成和纤维素坏死。光镜下可见肾小球毛细血管壁增厚、管腔狭窄及血栓形成。免疫荧光镜检查显示，肾小球毛细血管和血管壁有纤维蛋白原和凝血Ⅷ因子及血小板膜抗原沉积。电镜下则可见内皮细胞增生、肿胀以及内皮细胞和GBM内皮下间隙形成。
在严重病例中，可见广泛的肾小球和血管血栓形成伴双侧皮质坏死。这些病变也可见于成年人HUS血栓性血小板减少性紫癜（TTP）。学者普遍认为HUS与TTP虽然表现不同，但其实是同一种疾病的不同表现。后者的患者年龄较大，预后情况较差。
