低溫作用(高于零度的低溫)可以引起組織細(xì)胞的病理生理改變，當(dāng)溫度達(dá)到零度以上的低溫時(shí)，細(xì)胞的生物化學(xué)反應(yīng)能力減低，細(xì)胞膜離子通道發(fā)生障礙，細(xì)胞膜滲透性增強(qiáng)。這種損傷通常是可以逆轉(zhuǎn)的。當(dāng)溫度低于零度或零度以下時(shí)細(xì)胞脫水：當(dāng)溫度低于-0.56℃,細(xì)胞間質(zhì)液體冷凍，但細(xì)胞內(nèi)液仍不冷凍。這個(gè)階段將引起細(xì)胞內(nèi)外電解質(zhì)和滲透壓的改變導(dǎo)致細(xì)胞脫水，細(xì)胞膜損傷。在正常情況下，膜蛋白通過向細(xì)胞內(nèi)部有選擇性的導(dǎo)入或移出離子來控制細(xì)胞內(nèi)外平衡。但是生命的過程是溫度依賴性的化學(xué)反應(yīng)。降低溫度將減低細(xì)胞膜蛋白的效率和平衡細(xì)胞內(nèi)容物的能力。因此,在冷凍期間,細(xì)胞內(nèi)的成分組成特別是細(xì)胞內(nèi)離子的組成開始發(fā)生改變，有害離子滲入細(xì)胞并無法轉(zhuǎn)運(yùn)出去，隨著時(shí)間變化,特別是當(dāng)細(xì)胞回復(fù)到正常生理溫度時(shí)，損害就表現(xiàn)出來。更多的損傷機(jī)制與細(xì)胞骨架有關(guān)，細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)依賴于存在于細(xì)胞膜蛋白和細(xì)胞構(gòu)架之間的化學(xué)鍵。溫度的降低削弱化學(xué)鍵的活力，而使細(xì)胞骨架特別容易受到機(jī)械損害。
損害的第三種機(jī)制在于溫度及細(xì)胞內(nèi)離子內(nèi)容變化過程中所產(chǎn)生的蛋白變性。大部分細(xì)胞組織可以耐受高于凍結(jié)溫度的短暫冷卻,因此在冷凍治療過程中，可以預(yù)計(jì)，在凍結(jié)區(qū)周圍的正常組織在冷凍時(shí)是否受到嚴(yán)重的損害。而那些對離子內(nèi)容物高度敏感的細(xì)胞極易遭受損傷。血小板的溫度如果低于類脂相位的轉(zhuǎn)變溫度，可導(dǎo)致鈣離子流入,引發(fā)血小板的激活，導(dǎo)致凍結(jié)病變區(qū)的血小板聚集及血管阻塞。在較低溫度下隨著細(xì)胞外濃度的增加，細(xì)胞開始收縮。這種收縮是由于未溶解細(xì)胞與細(xì)胞外溶質(zhì)的超冷凍，并與冰達(dá)到的熱力學(xué)平衡。為了平衡細(xì)胞內(nèi)外溶解物的化學(xué)穩(wěn)定性,水將通過細(xì)胞膜離開細(xì)胞，引起細(xì)胞內(nèi)溶液濃度的增加，進(jìn)一步降低了溫度。細(xì)胞外的高滲液進(jìn)一步損害細(xì)胞。細(xì)胞暴露于高滲溶液，水透過細(xì)胞膜離開細(xì)胞的過程進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞攣縮。當(dāng)溫度過低現(xiàn)象發(fā)生在攝氏-10℃~-15℃左右，冰晶開始在細(xì)胞內(nèi)形成，當(dāng)溫度迅速下降至-40℃~-100℃，可使冰晶迅速在細(xì)胞內(nèi)外和微靜脈及微動脈內(nèi)形成，細(xì)胞脫水和破裂，及小血管破壞造成缺氧。在25度/分鐘的冷卻率下,細(xì)胞的損壞增多。實(shí)驗(yàn)表明細(xì)胞破壞的突然增多與細(xì)胞內(nèi)冰晶體的突然形成相關(guān)，在冰凍保護(hù)的實(shí)驗(yàn)中，如果高于最佳冷凍率，細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成導(dǎo)致細(xì)胞生存率的下降。由于水分通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，所形成細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成是取決于冷凍率,當(dāng)細(xì)胞被快速冷凍而無法與細(xì)胞外溶液達(dá)到平衡時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的溶液則開始表現(xiàn)熱動力學(xué)的超冷和不穩(wěn)定。細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成可能增加了超冷現(xiàn)象的發(fā)生。現(xiàn)在還不清楚導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)冰晶形成的核心部分是來自于細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞外或細(xì)胞膜。然而，細(xì)胞冰晶體形成是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要原因，構(gòu)成了現(xiàn)代冷凍治療技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。
伴隨細(xì)胞一系列冷凍的病理生理改變，如Ca2++超載，Ca2++-ATP酶活性下降，脂質(zhì)過氧化反應(yīng)增強(qiáng)，細(xì)胞間液張力過強(qiáng)，細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器(線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng))腫脹或消失。細(xì)胞核碎裂或溶解,血管基底膜腫脹或斷裂等表現(xiàn)。細(xì)胞冷凍生物學(xué)的研究結(jié)果提示：組織細(xì)胞被低溫?fù)p傷的過程可以分為三個(gè)階段：溫度過低-冰晶形成-解凍復(fù)溫。解凍和回暖也會導(dǎo)致細(xì)胞的損傷的過程。在冷凍狀態(tài)下，如果開始回暖，在較高的低冰點(diǎn)溫度下，冰晶有再次冰晶化的趨向。再次冰晶化將導(dǎo)致細(xì)胞外空間的分解，并導(dǎo)致組織細(xì)胞的裂解。在消融過程中，隨著冰的融化，細(xì)胞外的溶液可以部分或完全的成為高滲液，使水分進(jìn)入細(xì)胞，使細(xì)胞膜進(jìn)一步擴(kuò)張或破裂。當(dāng)消融的速度很快，某些細(xì)胞將在體溫的條件下保持高滲,因而導(dǎo)致代謝的破壞和進(jìn)一步的附加損害�；谶@一原理，美國Cryocare氬氦刀在氬氣冷凍后，采用氦氣快速復(fù)溫融解,進(jìn)一步保證了消融靶區(qū)細(xì)胞壞死的治療效果。
對于血管系統(tǒng)的損傷也是冷凍治療中組織損傷的另一種重要的機(jī)制之一。在冷凍過程中，冷凍區(qū)血循環(huán)被阻斷。實(shí)驗(yàn)表明在消融短時(shí)間之后，冷凍區(qū)域的邊緣出現(xiàn)水腫，然后冷凍區(qū)域的血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)損傷，在融解后幾小時(shí)之內(nèi)，內(nèi)皮細(xì)胞被剝離。伴隨著毛細(xì)血管壁通透性的增加，血小板聚集和血流停滯。在冷凍治療後的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，小的血管被完全地封閉。失去了血液的流動最終導(dǎo)致局部貧血和組織壞死。這種組織損傷的機(jī)理可以解釋為什么在冷凍治療過程中，某些情況下沒有冷凍區(qū)域的癌細(xì)胞也會死亡。因而冷凍可能是第一個(gè)利用冷凍的血管栓塞效應(yīng)治療癌癥的技術(shù)。
冷凍損傷的方式很大程度上依賴于溫度的變化。美國加州伯克利大學(xué)BorisRubinsky教授對原發(fā)性腎上腺癌細(xì)胞的冷凍測試結(jié)果提示：靠近冰球邊緣的冷凍組織損傷。多是由于細(xì)胞脫水所致的損傷。溫度變化范圍，常見在-0.56℃~-38℃。在溫度下降過程中如果結(jié)冰速度慢，先在細(xì)胞組織間質(zhì)中形成的冰晶會從細(xì)胞內(nèi)部吸收水分。細(xì)胞內(nèi)的失水會妨礙細(xì)胞內(nèi)的結(jié)冰，在某種程度上保護(hù)了細(xì)胞免于低溫?fù)p傷壞死，這也是液氮治療系統(tǒng)復(fù)發(fā)率高的原因。細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成是低溫治療毀損細(xì)胞的關(guān)鍵，這也是氬氦刀靶向治療系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)的體現(xiàn)。氬氣的迅速制冷，細(xì)胞內(nèi)冰晶快速形成，結(jié)晶就會通過細(xì)胞之間的橋梁延伸到所有的組織細(xì)胞，產(chǎn)生一種多米諾骨牌效應(yīng)。基于這個(gè)原理。癌細(xì)胞在冷凍摧毀過程中，四個(gè)因素起著決定性作用：即最低冷凍溫度范圍；細(xì)胞內(nèi)冰晶形成的速度；冷凍時(shí)間的長短；
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