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细胞因子和细胞因子受体调控网络缺陷所引起的信号转导异常参与多种疾病的发生，如IFN-γ缺陷患者对分枝杆菌感染更敏感。除了基因缺陷外，炎症性细胞因子或受体的表达失衡参与多种疾病的发生和发展过程。炎症可以根据起因的不同分为感染性炎症和无菌性炎症，而在炎症反应中发挥调节作用的细胞因子称之为炎症性细胞因子。某些病毒或细菌感染可造成细胞因子分泌异常，从而导致感染性疾病的恶化；而由细胞和组织损伤引起的无菌性炎症是许多自身免疫病的基础，也与肿瘤的发生、发展和转移相关。近年来，炎症性细胞因子与代谢性疾病间的联系也受到广泛关注和更深入的研究。
机体在应对感染和组织损伤时，固有免疫系统的各类细胞会分泌多种具有相似特征与功能的炎症性细胞因子，它们主要由局部组织巨噬细胞和树突状细胞分泌，也可由上皮细胞和内皮细胞产生。大多数细胞因子以旁分泌的方式作用于邻近细胞，而在严重感染时，大量细胞因子的产生可通过内分泌方式进入血液循环在远端发挥作用，并引起级联反应，产生新的效应。
巨噬细胞、树突状细胞等都能产生和释放 TNF-α，PAMP、损伤相关模式分子（damage-associated molecular pattern，DAMP）与巨噬细胞表面TLR、NOD样受体［nucleotide-binding oligomerization domain（NOD）-like receptor，NLR］或RIG样受体［retinoic acid-inducible gene 1（RIG-1）like receptor，RLR］结合，可通过激活NF-κB转录因子诱导 TNF- α基因的表达。多种不同的细菌产物都表达TLR的配体LPS和脂磷壁酸（lipoteichoic acids，LTA），其中脓毒性休克的发生与细菌进入血流后导致TNF-α大量分泌有关。
单核细胞、中性粒细胞、上皮细胞和内皮细胞等都可分泌IL-1。IL-1有IL-1α和IL-1β两种形式，主要发挥生物学活性的分泌形式是IL-1β。IL-1β前体无生物学活性，经NLPR3炎症小体介导，caspase-1切割后释放至胞外才具有活性。IL-1β受体属于IL-1受体家族，在内皮细胞、上皮细胞和白细胞上都有表达，该受体包括胞外Ig结构域和胞内TIR结构域。与激活TLR的信号通路相似，IL-1在结合IL-1R后引起NF-κB和AP-1转录因子的激活。
主要由单核/巨噬细胞、血管内皮细胞、Th2和B细胞等产生，IL-6受体包含一个与配体结合的α链（CD126）和信号传导共用链gp130，激活JAK-STAT信号通路。IL-6生物学功能包括促进肝合成急性期蛋白；联合IL-1、IL-23可诱导Th17细胞的分化。
TNF-α、IL-1和IL-6均为体内重要的致热源，可作用于下丘脑体温调节中枢引起发热；TNF-α、IL-1可刺激内皮细胞和白细胞释放一系列炎性介质，如一氧化氮和氧自由基等，改变凝血功能并导致组织损伤；IL-1和IL-6可诱导肝脏细胞产生急性期蛋白，包括C反应蛋白、酸性蛋白酶和纤维蛋白原。
包括促进白细胞趋化和生成IL-1和TNF-α等，激活NF-κB信号通路，促进黏附分子基因的转录，如诱导血管内皮细胞上调E-选择素、白细胞整合素配体ICAM-1、VCAM-1的表达；TNF-α和IL-1还可刺激不同细胞分泌趋化因子如CXCL1和CXCL2，与中性粒细胞和单核细胞受体结合后增加整合素与配体的亲和力，促进白细胞的迁移。TNF-α、IL-1和IL-6可进入骨髓，协同集落刺激因子促进骨髓前体细胞产生中性粒细胞。
除TNF-α、IL-1和IL-6外，受PAMP刺激的巨噬细胞和树突状细胞也可产生IL-12、IL-18、IL-15、IL-17和IFN-γ等其他细胞因子，例如IL-17不仅表达在免疫细胞和非免疫细胞，特别是炎症局部的上皮细胞和间充质细胞也有表达，IL-17通过活化IL-17R-TRAF6-NF-κB信号转导途径发挥效应，可促进细胞因子（IL-6、G-CSF、TNF-α）、趋化因子（CXCL1、CXCL2、CCL20）和急性期蛋白的表达。
单核巨噬细胞可产生天然的IL-1受体拮抗剂（IL-1 receptor antagonist，IL-1RA），其在结构上与IL-1同源，但结合受体后无生物学活性。目前已开发出重组的IL-1RA药物，用于治疗异常表达IL-1的疾病，如类风湿关节炎和家族性发热综合征。
脓毒症（sepsis）是严重创（烧）伤、休克、感染、外科大手术后常见的并发症，主要是由于感染而导致的全身性炎症反应。如果脓毒症早期得不到有效的控制，进一步发展可导致脓毒性休克、多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS），而MODS进一步会发展为多脏器功能衰竭（multiple organ failure，MOF）。尽管抗生素广泛使用，细菌性感染仍然是引起脓毒性休克的主要原因，一些细菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、产气肠杆菌可在感染宿主后即发展为脓毒性休克。革兰阴性菌的细胞壁成分内毒素，也称为脂多糖（lipopolysaccharides，LPS），可通过结合TLR-4受体途径激活树突状细胞和巨噬细胞，释放大量炎症性细胞因子如TNF-α和IL-1，导致病理性毛细血管通透性增加和血压降低。除巨噬细胞外，中性粒细胞、内皮细胞和上皮细胞也可以分泌IL-1。TNF-α的核心作用是在炎性反应中激活细胞因子级联反应，诱发IL-1等细胞因子的分泌，由此激发炎症反应。某些革兰阳性菌产生的外毒素，如金黄色葡萄球菌肠毒素、链球菌致热外毒素具有超抗原的性质，超抗原的一端与APC膜上的MHC-Ⅱ类分子的外侧结合，而另一端直接与TCR的Vβ外侧结合，即可促使大量的T淋巴细胞活化并释放促炎性细胞因子。在感染早期，TNF-α和IL-1大量分泌，中和这些细胞因子可能是治疗脓毒症的有效方法，而在脓毒血症发生24小时之后，IL-1和 TNF-α的分泌显著降低，由 IL-6、MIF和CCL8占主导。IL-10是主要的抗炎性细胞因子之一，可抑制内毒素或脂多糖诱导激活的单核细胞、巨噬细胞释放的炎性细胞因子，IL-10对内毒素血症或葡萄球菌肠毒素引起的脓毒性休克有保护作用。
某些病毒感染会诱导免疫细胞分泌高水平的细胞因子，并反馈性地引起体液中多种细胞因子如TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、MCP-1和IL-8等的大量产生，这种现象称之为细胞因子风暴（cytokine storm）。通常情况下，机体具有自我调节机制，如激活调节性T细胞，而在异常情况下，这种调控作用可能失控，病毒刺激机体局部并产生放大反应，引起极高水平的细胞因子分泌。细胞因子风暴可引发广泛的肺水肿、肺泡出血、急性肺炎、组织损伤和坏死和MOF。
细胞因子风暴可能是1918年引起致命西班牙流感的重要病理性机制之一，1993年暴发的急性呼吸窘迫综合征（severe acute respiratory distress syndrome，SARS）及1996年发现的感染H5N1禽流感病毒的患者体内都可观察到相似的细胞因子分泌现象。TNF-α、IFN-γ和IL-6是细胞因子风暴中主要致病性炎症因子，巨噬细胞和CD8 + T淋巴细胞是产生细胞因子的主要细胞。
炎症反应的发生不仅与病原体感染有关，组织损伤、内源性物质的沉积、自身免疫应答等均可引起无菌性炎症。在无菌性炎症起始过程中发挥重要作用的DAMP分子包括尿酸、ATP、HMGB1、热休克蛋白（heat shock protein，HSP）、S100蛋白等，同时炎症性细胞因子IL-1和IL-18的释放也可作为DAMP向机体发送损伤信号。这些分子的功能主要是影响血管通透性、招募炎症性细胞浸润、诱导多种促炎基因的表达。它们在免疫系统疾病的维持和放大过程中可能发挥作用。
哮喘（asthma）是一种以气道高反应性和慢性气道炎症为主要特征的过敏性呼吸道疾病，而细胞因子是促进气道炎症和重塑的重要原因。Th2细胞和Ⅱ型固有淋巴细胞（typeⅡ innate lymphoid cell，ILC2）分泌的细胞因子是嗜酸性粒细胞型哮喘的主要原因。IL-4、IL-13促进B细胞产生IgE，IL-5促进嗜酸性粒细胞的分化，IL-9则趋化肥大细胞并促进其分化，IFN-γ可抑制IL-4细胞诱生IgE。气道上皮细胞产生的细胞因子IL-1、IL-25和 IL-33及胸腺基质淋巴生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）可激活Th2或ILC2细胞。
哮喘是一种复杂的异质性疾病，表现为其临床特征及治疗的反应等方面具有明显的多样性。Th1/Th2细胞失衡现象可以解释大部分轻度和中度哮喘，并不能解释一些非典型哮喘及严重哮喘类型，如一些哮喘患者不以嗜酸性粒细胞浸润为特征，而以中性粒细胞占主导。Th17细胞分泌的IL-17A、IL-17F和IL-22可能在这类哮喘的发病中发挥着重要的作用。IL-17可诱导上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞和基质细胞分泌IL-6、IL-8、GCSF以及前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE-2），粒细胞趋化蛋白-2（granulocyte chemotactic protein-2，GCP-2）的表达，进而促进造血前体细胞增殖、分化为成熟中性粒细胞；IL-17诱导趋化因子CXCL8/IL-8分泌可促进中性粒细胞的趋化和活化；中性粒细胞活化后还能产生弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）、髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）、蛋白酶3（proteinase 3，PR3），通过释放MMP-8和MMP-9引起细胞外基质成分大量降解，使支气管上皮细胞和平滑肌细胞结构发生改变，从而导致气道重塑。
目前已开始使用人源化针对IL-5的单抗Mepolizumab用于严重嗜酸性粒细胞型哮喘的治疗，其他Th2型细胞因子或受体如IL-4Rα、IL-4、IL-13、IL-5的抗体类药物对于严重嗜酸粒型哮喘的治疗也有一定的效果，如抗IL-13抗体适用于治疗慢性气道堵塞不伴有反复发作的患者，而抗IL-5和IL-4Rα抗体更适合于治疗气道阻塞伴有反复发作的患者。然而针对IL-17RA的单抗Brodalumab和IL-8配体CXCR2的拮抗剂SCH527123在非Th2型患者的身上还未取得显著的治疗效果，非Th2哮喘的具体的机制还有待进一步研究。
自身免疫性炎症反应以针对自身抗原的特异细胞性炎症占主导地位，多数是T细胞介导的细胞免疫，同时伴有抗原呈递细胞的过度活化。在类风湿关节炎、强直性脊柱炎、银屑病患者体内均可检测到高水平的TNF-α，成为自身免疫病治疗中最重要的靶点之一，应用TNF-α抗体或IL-1受体拮抗剂治疗类风湿关节炎取得了很好的疗效。在类风湿关节炎、多发性硬化症、银屑病、炎症性肠病患者体内IL-17表达明显增加，目前许多靶向IL-17的治疗抗体进入了临床实验阶段。本节选取银屑病和炎症性肠病进行重点阐述。
一种皮肤科常见且易于复发的慢性炎症性疾病，以角质形成细胞（keratinocytes，KC）的过度增生和异常分化为主要特征。其发病机制仍不清楚，认为与遗传与环境等多种因素相互作用有关，属多基因遗传病。银屑病的发生、发展往往与细胞免疫异常有关。
患者损伤部位树突状细胞释放的IL-12、IL-23可诱导CD4 + T细胞向Th1和Th17细胞分化，Th1细胞分泌的IFN-γ、TNF-α，Th17细胞分泌的IL-17、IL-23，Th17与Th22细胞产生的IL-22都是参与局部皮肤损伤的重要细胞因子。据称γδT细胞也是银屑病中IL-17的重要来源。Th1细胞分泌的IFN-γ诱导KC产生一系列炎症性趋化因子，包括CXCL9、CXCL10、CXCL11等，从而招募更多的Th1细胞向炎症部位浸润；而Th17细胞、γδT细胞分泌的IL-17则诱导趋化因子CXCL1、CXCL3、CXCL5、CXCL6、CXCL8表达，从而招募中性粒细胞浸润。除此之外，IL-17通过诱导CCL20表达招募更多的Th17细胞和树突状细胞，引起炎症的正反馈效应。激活的Th17细胞也产生TNF-α，与IL-17具有协同作用，共享转录因子NF-κB和C/EBP。IL-17和IL-22可协同增强表皮抗菌肽的表达，如β防御素、脂质运载蛋白（lipocalin）、LL-37、S100A7。细胞因子IL-19、IL-20和IL-24参与表皮细胞的增生。
应用TNF-α单克隆抗体英利昔单抗（Infliximab）对中度至重度银屑病治疗有效，针对IL-12和IL-23共有亚单位p40的单克隆抗体治疗也得到较好的疗效，可能与阻断Th1和Th17细胞介导的免疫反应相关。
是一种病因和发病机制尚不清楚的胃肠道慢性非特异性炎症性疾病，包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。遗传因素和环境中的某些因子似乎可以改变肠道上皮细胞屏障，促使肠腔的共生菌抗原转位至肠壁，随后刺激一些细胞因子的过度分泌。APC、Th1、Th2、Treg和Th17细胞及其分泌的多种细胞因子可引起急性肠道黏膜炎症反应，若急性炎症无法缓解，则可发展为慢性炎症，黏膜免疫细胞如巨噬细胞、T细胞及Ⅲ型固有淋巴细胞（typeⅢ innate lymphoid cell，ILC3）进一步受到细菌产物或共生菌的刺激后，可产生大量细胞因子促进肠道的慢性炎症。此外，细胞因子与IBD引起的腹泻及肠道外反应如关节痛等病理表现相关。
全基因组关联分析（genome wide association study，GWAS）鉴定出许多IBD易感性基因座，如编码细胞因子IL-2、IL-21、IFN-γ、IL-10和IL-27，编码趋化因子受体CCR6、CCL2、CCL13和细胞因子受体下游信号分子如转录因子JAK2、 STAT3 、 STAT4 基因等。普遍认为Th1相关细胞因子IL-12、IFN-γ、TNF-α及Th17相关细胞因子IL-17、IL-21、IL-23在CD炎症部位表达显著升高，而Th2细胞因子IL-5和IL-13主要在UC炎症部位表达增多。
最近发现，炎症性结肠病患者的炎症损伤部位高表达IL-1家族成员IL-33，它可作为感受组织损伤的警报器，而IL-33受体ST2主要表达在肠道Treg细胞中。IL-33结合ST2受体后在抑制肠道炎症方面发挥重要作用；然而炎症性细胞因子IL-23可通过抑制IL-33而影响Treg细胞的免疫反应，因此IL-23和IL-33的平衡可能是决定肠道免疫反应结局的重要因素。
调控细胞因子的表达及鉴定新的IBD相关细胞因子靶点是近几年的研究热点。针对TNF-α的单抗Infliximab已纳入临床IBD的治疗策略，目前TNF已成为治疗IBD的重要靶点。已经研发出针对TNF的免疫制剂包含嵌合型、人源化及完全人源的抗体，然而TNF单抗也只针对一些特定类型的IBD有效；针对抗炎性细胞因子IL-10、IL-11、IFN-β的治疗靶点药物效果并不理想；中和炎性细胞因子IFN-γ的抗体药物也并未能改善临床症状。这反映炎症状态下黏膜细胞因子网络调控比预期复杂。IL-17单克隆抗体的应用多以失败而告终。因此IL-17在IBD中的作用可能不同于其他自身免疫性疾病，在不同细胞模型或炎症的不同时期可能发挥促炎或抑炎的效应。
肿瘤的发生和发展是一个多步骤、多因素的过程。众多研究证实，慢性炎症是一个可以导致肿瘤的危险因素。一些病毒或细菌的感染与肿瘤密切相关，如乳头瘤病毒（human papillomavirus，HPV）感染与宫颈癌相关、胃幽门螺杆菌（helicobacter pylori，HP）感染增加胃癌风险、慢性乙肝及丙肝可增加肝癌风险。一些自身免疫病如慢性炎症性肠病与肠癌的发病相关，抗感染治疗可以降低结肠癌的发生率，提示炎症提高了罹患肿瘤的易感性。
肿瘤持续的炎性微环境不仅可以促进肿瘤细胞增殖，还可以加快肿瘤向周围组织的侵袭速度，有利于血管形成和肿瘤的转移。炎性细胞因子网络是肿瘤微环境中重要的组成部分。
可通过多种机制发挥抗肿瘤的作用，然而针对TNF-α进行肿瘤的临床治疗却未达到预期的效果，且毒副作用大。最近研究表明，内源性TNF-α可通过多种机制增加炎症诱发肿瘤的风险，TNF-α和IL-6联合作用可激活STAT3通路，提高结肠癌细胞表面TNFR2的表达；TNF-α可通过TNFR2信号通路维持MDSC的存活，TNFR2与肿瘤部位Treg的募集及抑制功能相关。此外，TNF-α也可通过TNFR1影响IL-17的产生。在非小细胞肺癌、乳腺癌、结肠癌、前列腺癌、恶性黑色素瘤、非霍奇金淋巴瘤、胃癌、慢性淋巴细胞白血病患者血浆中可见TNF-α表达上调，TNF-α既可在肿瘤微环境局部发挥作用，也可发挥全身性效应。
具有多种免疫刺激功能，可促进NK细胞的分化和增殖，CD8 + T细胞发挥细胞毒作用依赖IL-2的分泌。sIL-2R为细胞因子IL-2拮抗剂，不同血液系统的恶性肿瘤疾病患者血清中都可见高浓度的sIL-2R的表达，血清中sIL-2R与IFN-γ分泌呈负相关。
巨噬细胞和树突状细胞分泌的IL-12可激活NK细胞分泌IFN-γ，在天然免疫中发挥功能；在适应性免疫中则激活CD4 + T细胞分泌IFN-γ发挥杀伤作用。在多种肿瘤中，IL-12、IFN-γ表达下调，反映抗原呈递细胞功能失常，从而影响了固有免疫和适应性免疫，导致免疫耐受。虽然IFN-γ具有抗肿瘤作用，但也可能通过激活抑制性共刺激分子B7-H1而抑制肿瘤特异性T细胞，从而促进肿瘤生长。
高表达于前列腺癌、胃癌、乳腺癌中，IL-17可通过作用于内皮细胞和成纤维细胞的相应受体，促进血管生成。也有研究表明，IL-17对肿瘤具有抑制作用，IL-17缺陷的小鼠更易发生肺黑色素瘤，而使用分泌IL-17的T细胞治疗可阻止肿瘤的发生。在IL-17的辅助下，Th17细胞可有效激活肿瘤特异性的CD8 + T细胞，比Th1细胞具有更强的肿瘤治疗功效。因而在复杂的肿瘤微环境中，IL-17可能发挥双刃剑的作用。
与IL-12协同刺激可诱导IFN-γ分泌。大部分CD4 + T细胞表达IL-18R，而IFN-γ可诱导IL-18拮抗剂IL-18连接蛋白（IL-18bp）表达，从而抑制IL-18的活性，形成负反馈机制。理论上IL-18在肿瘤组织中的表达应该与IL-12和IFN-γ一样都呈现表达下调的趋势，然而可能由于缺乏负性IL-18bp刺激，食管鳞状细胞癌、乳腺癌、肝癌、肺癌、肾癌、口腔癌和多发性骨髓瘤中IL-18表达反而增多。
与IL-12具有结构相似性，共用p40亚基。IL-12主要促进CD8 + T细胞的浸润，而IL-23则诱导天然炎症性细胞浸润。血清中IL-23表达增高见于乳腺癌、胰腺癌、结肠癌、胃癌患者。
两者都为抑炎性细胞因子。尽管肿瘤是一种异质性疾病，但肿瘤患者的炎症细胞因子表达谱具有一定的相似性。如肿瘤进展期患者的血清中细胞因子TNF-α、IL-18、IL-8、IL-6、TGF-β和IL-10表达明显增高。血清中高表达的IL-6、IL-10与多种肿瘤的不良预后相关。心脏黏液瘤、浆细胞瘤、黑色素瘤及宫颈癌等患者体内可分泌高水平IL-6，其中黑色素瘤和浆细胞瘤细胞以自分泌形式分泌IL-6刺激细胞增殖，而使用IL-6单抗可抑制细胞的增殖。肿瘤细胞分泌的抑炎性细胞因子TGF-β、IL-10可抑制机体的免疫功能，与肿瘤逃逸有关。TGF-β可上调另一种抑炎性因子IL-10，而IL-10又上调TGF-β表达形成正反馈。功能性表达 IL-12、IFN-γ、IL-2和HLA-DR的预后良好。炎症性细胞因子IL-6和抑炎性细胞因子IL-10的同时表达与肿瘤患者预后不良有显著关系，这反映了肿瘤患者体内存在免疫激活失效和呈现功能性免疫抑制的矛盾状态。
Hotamisligil等于1993年就提出代谢性疾病（如肥胖、2型糖尿病）与炎性细胞因子存在联系，他们发现小鼠的脂肪细胞组成性的表达炎症性细胞因子TNF-α，随后发现人类的脂肪组织中也高表达TNF-α，而在体重减轻后，血液中的TNF-α表达也随之下调。TNF-α表达上调会抑制胰岛素信号中受体酪氨酸残基的自磷酸化，进而影响下游信号的活化，从而降低对胰岛素敏感性。除TNF-α外，肥胖小鼠和糖尿病患者血清中可见细胞因子IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-17、IL-23、IL-24、IL-33及趋化因子CCL1和CCL2表达的增高，IL-1β也是炎症浸润部位重要的细胞因子，可通过自分泌和旁分泌的方式激活脂肪细胞和巨噬细胞，加剧慢性炎症反应。IL-17家族与控制脂肪细胞的代谢具有密切的联系，肥胖及相关炎症会促使个体分泌IL-17。IL-6会促使分化的T细胞分泌IL-17，而IL-17作用于单核细胞继续分泌IL-6以形成正反馈，造成机体持续的炎性状态，其下游NF-κB和JNK信号通路可介导胰岛素抵抗和2型糖尿病的发生。
许多脂肪组织细胞因子参与糖和脂肪代谢，其分泌异常与糖尿病发生相关。如瘦素和脂联素均可改善胰岛素抵抗，降低高糖血症；肥胖患者血清中瘦素水平升高，但中枢神经系统对瘦素不敏感。