輪狀病毒主要侵犯小腸絨毛上皮細胞，使上皮細胞脫落，代之以缺乏消化酶的鱗形或方形上皮細胞。因此正常腸粘膜上存在的絨毛酶如麥芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶均減少，導致吸收功能障礙。由于乳糖及其它雙糖不能被消化吸收而滯留在腸內，造成腸粘膜與腸腔滲透壓的改變，使液體進入腸腔而造成滲透性腹瀉。
病變部位主要位于十二指腸及空腸，上皮細胞可變為方形或不整形，但多數腸粘膜細胞尚正常。腸絨毛上皮細胞內空泡變性，內質網中有多量輪狀病毒顆粒。
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