镰状细胞病的分子机制是β基因发生单一碱基突变，正常β基因第6个密码子为GAG，编译为谷氨酸，突变后变为GTG，编译为缬氨酸，这种单个氨基酸的替代即形成HbS。HbS在电泳中向阳极的移动速度较HbA 慢，脱氧HbS比脱氧HbA 难溶解得多。它形成杆状类晶团聚体的一种半固体凝胶，从而使红细胞在低氧分压部位形成镰状、扭转变形而又不能屈曲的红细胞，黏附于血管内皮，并堵塞小动脉与毛细血管形成阻塞与梗死。脑梗死的危险因素：TIA、低血红蛋白、近期急性胸部综合征以及收缩压升高。颅内出现的危险因素有：低血红蛋白和白细胞增多。有卒中病史患者的梗死灶位于皮质与深层白质，而无症状性梗死多局限于深层白质。脑梗死的常见影像学特征为：大血管病变呈楔形梗死、边缘带梗死（大脑中动脉与其他脑动脉交界供血区）、深层白质点状梗死（腔隙性梗死）。卒中常伴随大血管病变，多局限于颈内动脉远端和大脑中动脉、前动脉近端。血管造影检查证实80%的患者上述部位存在损害，30%患者呈“烟雾”图像，可见皮质下异常血管网形成，多见于血管病变晚期，病理检查可发现病变血管内膜增生伴内弹力层断裂。
在临床上，血红蛋白S病有3 种主要形式：①纯合子状态，即镰状细胞贫血；②杂合子状态，即镰状细胞性状；③HbS与其他异常血红蛋白的双杂合子状态，包括血红蛋白S‐β珠蛋白生成血红蛋白C 病、再生障碍性贫血等。
血红蛋白S（HbS）是β珠蛋白链第6位谷氨酸被缬氨酸替代所致的异常血红蛋白（α2Aβ26谷→缬）。由于分子表面电荷改变，当处于缺氧状态时，其溶解度降低，各分子聚合，形成螺旋状细丝，使红细胞变形如镰刀状。红细胞膜僵硬，无法通过微循环，而引起局部缺氧。血黏稠度增加，小血管淤滞栓塞。当血红蛋白与氧结合时，分子间的相互作用消失，红细胞镰状化可迅速恢复正常。如红细胞膜明显受损，红细胞失钾失水，可导致镰状细胞不可回逆，引起微血管阻塞范围扩大成为大面积梗死，酸中毒或红细胞内2，3‐二磷酸甘油酸增高，红细胞氧亲和力降低，增加脱氧血红素形成，进一步加重红细胞镰状变。肾髓质的高渗环境中能引起局部镰状变及肾乳头梗死形成。
