Como Martin F disse, o que você quer não pode ser feito sem piratear o nginx - Se você for fazer isso, você pode querer investir recursos de programação em outros lugares.
Você diz que os dados da sua sessão são "muito grandes" para replicar - Qual é o tamanho "grande demais"?
Além de um certo ponto, é hora de gerenciar suas próprias informações de sessão e colocar os dados de estado em um banco de dados distribuído (possivelmente um bom NoSQL DB como o Mongo) e deixar que ele cuide da replicação para você ...