腭心面综合征的形成主要与咽弓系统发育缺陷有关，这个系统由双侧对称的结构组成，通过细胞类型的分化发育成最终的器官。每个咽弓包含内胚层、外胚层、中胚层核心以及咽弓动脉。头颅神经嵴细胞从脑尾部的神经褶分化，形成围绕咽弓动脉和中胚层核心的间充质，进一步发育为面颈部肌和心脏流出道。神经嵴细胞衍生的间充质则形成骨骼和心血管结构，而咽囊则由内胚层上皮发育而来，进一步形成胸腺和甲状旁腺。鳃裂上皮细胞则形成外周和感觉神经元的前体细胞。

Tbx1基因在心血管畸形形成中扮演关键角色，其编码的蛋白质通过与DNA的T盒结合区域调控基因表达。小鼠模型研究显示，Tbx1在胚胎发育早期对咽系统形成有重要作用，其缺失可能导致咽弓发育不全或功能障碍，尤其是对后部咽弓和鳃裂的影响显著。此外，Tbx1调控的下游分子通路如内皮素基因(Edn1)也对正常咽系统发育至关重要。ET1信号的缺失会导致神经嵴细胞迁移异常和动脉干发育问题。

除了Tbx1，其他基因如Crkl，位于22q11区域，也在调控过程中发挥作用。Crkl基因编码的连接蛋白受生长因子和局部信号的影响，但其缺失与Tbx1在咽弓动脉塑形阶段的作用不同。TGFb信号在神经嵴细胞迁移和主动脉系统的成熟中起作用，而心脏畸形往往源于神经嵴细胞的迁移延迟或分化异常。Fox蛋白、Tbx1、FGF8和FGF10等可能通过调控内胚层和前心区细胞分化影响心脏发育。

颅面部和腺体的分化异常往往伴随着心血管问题，如胸腺和甲状旁腺的畸形，这可能导致免疫缺陷和低钙血症。Tbx1在胸腺发育中的作用被广泛研究，其缺失会导致胸腺发育缺陷。外胚间充质发育过程中，TGFβ信号途径、FGF信号和Crkl的相互作用对骨和软骨的形成至关重要。FGF信号可能作为TGFβ信号的下游，影响神经嵴细胞的分化而非迁移。Crkl突变和TGFbr2突变的研究进一步揭示了TGFβ信号和Crkl在综合症形成中的协同作用，但也显示了TGFβ信号独立于Crkl信号的调控能力。