低温作用(高于零度的低温)可以引起组织细胞的病理生理改变，当温度达到零度以上的低温时，细胞的生物化学反应能力减低，细胞膜离子通道发生障碍，细胞膜渗透性增强。这种损伤通常是可以逆转的。当温度低于零度或零度以下时细胞脱水：当温度低于-0.56℃,细胞间质液体冷冻，但细胞内液仍不冷冻。这个阶段将引起细胞内外电解质和渗透压的改变导致细胞脱水，细胞膜损伤。在正常情况下，膜蛋白通过向细胞内部有选择性的导入或移出离子来控制细胞内外平衡。但是生命的过程是温度依赖性的化学反应。降低温度将减低细胞膜蛋白的效率和平衡细胞内容物的能力。因此,在冷冻期间,细胞内的成分组成特别是细胞内离子的组成开始发生改变，有害离子渗入细胞并无法转运出去，随着时间变化,特别是当细胞回复到正常生理温度时，损害就表现出来。更多的损伤机制与细胞骨架有关，细胞骨架结构依赖于存在于细胞膜蛋白和细胞构架之间的化学键。温度的降低削弱化学键的活力，而使细胞骨架特别容易受到机械损害。
损害的第三种机制在于温度及细胞内离子内容变化过程中所产生的蛋白变性。大部分细胞组织可以耐受高于冻结温度的短暂冷却,因此在冷冻治疗过程中，可以预计，在冻结区周围的正常组织在冷冻时是否受到严重的损害。而那些对离子内容物高度敏感的细胞极易遭受损伤。血小板的温度如果低于类脂相位的转变温度，可导致钙离子流入,引发血小板的激活，导致冻结病变区的血小板聚集及血管阻塞。在较低温度下随着细胞外浓度的增加，细胞开始收缩。这种收缩是由于未溶解细胞与细胞外溶质的超冷冻，并与冰达到的热力学平衡。为了平衡细胞内外溶解物的化学稳定性,水将通过细胞膜离开细胞，引起细胞内溶液浓度的增加，进一步降低了温度。细胞外的高渗液进一步损害细胞。细胞暴露于高渗溶液，水透过细胞膜离开细胞的过程进一步导致细胞挛缩。当温度过低现象发生在摄氏-10℃~-15℃左右，冰晶开始在细胞内形成，当温度迅速下降至-40℃~-100℃，可使冰晶迅速在细胞内外和微静脉及微动脉内形成，细胞脱水和破裂，及小血管破坏造成缺氧。在25度/分钟的冷却率下,细胞的损坏增多。实验表明细胞破坏的突然增多与细胞内冰晶体的突然形成相关，在冰冻保护的实验中，如果高于最佳冷冻率，细胞内冰晶的形成导致细胞生存率的下降。由于水分通过细胞膜的转运，所形成细胞内冰晶的形成是取决于冷冻率,当细胞被快速冷冻而无法与细胞外溶液达到平衡时，细胞内的溶液则开始表现热动力学的超冷和不稳定。细胞内冰晶的形成可能增加了超冷现象的发生。现在还不清楚导致细胞内冰晶形成的核心部分是来自于细胞内、细胞外或细胞膜。然而，细胞冰晶体形成是导致细胞死亡的主要原因，构成了现代冷冻治疗技术发展的理论基础。
伴随细胞一系列冷冻的病理生理改变，如Ca2++超载，Ca2++-ATP酶活性下降，脂质过氧化反应增强，细胞间液张力过强，细胞内细胞器(线粒体、内质网)肿胀或消失。细胞核碎裂或溶解,血管基底膜肿胀或断裂等表现。细胞冷冻生物学的研究结果提示：组织细胞被低温损伤的过程可以分为三个阶段：温度过低-冰晶形成-解冻复温。解冻和回暖也会导致细胞的损伤的过程。在冷冻状态下，如果开始回暖，在较高的低冰点温度下，冰晶有再次冰晶化的趋向。再次冰晶化将导致细胞外空间的分解，并导致组织细胞的裂解。在消融过程中，随着冰的融化，细胞外的溶液可以部分或完全的成为高渗液，使水分进入细胞，使细胞膜进一步扩张或破裂。当消融的速度很快，某些细胞将在体温的条件下保持高渗,因而导致代谢的破坏和进一步的附加损害。基于这一原理，美国Cryocare氩氦刀在氩气冷冻后，采用氦气快速复温融解,进一步保证了消融靶区细胞坏死的治疗效果。
对于血管系统的损伤也是冷冻治疗中组织损伤的另一种重要的机制之一。在冷冻过程中，冷冻区血循环被阻断。实验表明在消融短时间之后，冷冻区域的边缘出现水肿，然后冷冻区域的血管内皮细胞出现损伤，在融解后几小时之内，内皮细胞被剥离。伴随着毛细血管壁通透性的增加，血小板聚集和血流停滞。在冷冻治疗後的几个小时内，小的血管被完全地封闭。失去了血液的流动最终导致局部贫血和组织坏死。这种组织损伤的机理可以解释为什么在冷冻治疗过程中，某些情况下没有冷冻区域的癌细胞也会死亡。因而冷冻可能是第一个利用冷冻的血管栓塞效应治疗癌症的技术。
冷冻损伤的方式很大程度上依赖于温度的变化。美国加州伯克利大学BorisRubinsky教授对原发性肾上腺癌细胞的冷冻测试结果提示：靠近冰球边缘的冷冻组织损伤。多是由于细胞脱水所致的损伤。温度变化范围，常见在-0.56℃~-38℃。在温度下降过程中如果结冰速度慢，先在细胞组织间质中形成的冰晶会从细胞内部吸收水分。细胞内的失水会妨碍细胞内的结冰，在某种程度上保护了细胞免于低温损伤坏死，这也是液氮治疗系统复发率高的原因。细胞内冰晶的形成是低温治疗毁损细胞的关键，这也是氩氦刀靶向治疗系统的先进技术的体现。氩气的迅速制冷，细胞内冰晶快速形成，结晶就会通过细胞之间的桥梁延伸到所有的组织细胞，产生一种多米诺骨牌效应。基于这个原理。癌细胞在冷冻摧毁过程中，四个因素起着决定性作用：即最低冷冻温度范围；细胞内冰晶形成的速度；冷冻时间的长短；
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