低溫作用(高于零度的低溫)可以引起組織細胞的病理生理改變，當溫度達到零度以上的低溫時，細胞的生物化學(xué)反應(yīng)能力減低，細胞膜離子通道發(fā)生障礙，細胞膜滲透性增強。這種損傷通常是可以逆轉(zhuǎn)的。當溫度低于零度或零度以下時細胞脫水：當溫度低于-0.56℃,細胞間質(zhì)液體冷凍，但細胞內(nèi)液仍不冷凍。這個階段將引起細胞內(nèi)外電解質(zhì)和滲透壓的改變導(dǎo)致細胞脫水，細胞膜損傷。在正常情況下，膜蛋白通過向細胞內(nèi)部有選擇性的導(dǎo)入或移出離子來控制細胞內(nèi)外平衡。但是生命的過程是溫度依賴性的化學(xué)反應(yīng)。降低溫度將減低細胞膜蛋白的效率和平衡細胞內(nèi)容物的能力。因此,在冷凍期間,細胞內(nèi)的成分組成特別是細胞內(nèi)離子的組成開始發(fā)生改變，有害離子滲入細胞并無法轉(zhuǎn)運出去，隨著時間變化,特別是當細胞回復(fù)到正常生理溫度時，損害就表現(xiàn)出來。更多的損傷機制與細胞骨架有關(guān)，細胞骨架結(jié)構(gòu)依賴于存在于細胞膜蛋白和細胞構(gòu)架之間的化學(xué)鍵。溫度的降低削弱化學(xué)鍵的活力，而使細胞骨架特別容易受到機械損害。
損害的第三種機制在于溫度及細胞內(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，在凍結(jié)區(qū)周圍的正常組織在冷凍時是否受到嚴重的損害。而那些對離子內(nèi)容物高度敏感的細胞極易遭受損傷。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胞外濃度的增加，細胞開始收縮。這種收縮是由于未溶解細胞與細胞外溶質(zhì)的超冷凍，并與冰達到的熱力學(xué)平衡。為了平衡細胞內(nèi)外溶解物的化學(xué)穩(wěn)定性,水將通過細胞膜離開細胞，引起細胞內(nèi)溶液濃度的增加，進一步降低了溫度。細胞外的高滲液進一步損害細胞。細胞暴露于高滲溶液，水透過細胞膜離開細胞的過程進一步導(dǎo)致細胞攣縮。當溫度過低現(xiàn)象發(fā)生在攝氏-10℃~-15℃左右，冰晶開始在細胞內(nèi)形成，當溫度迅速下降至-40℃~-100℃，可使冰晶迅速在細胞內(nèi)外和微靜脈及微動脈內(nèi)形成，細胞脫水和破裂，及小血管破壞造成缺氧。在25度/分鐘的冷卻率下,細胞的損壞增多。實驗表明細胞破壞的突然增多與細胞內(nèi)冰晶體的突然形成相關(guān)，在冰凍保護的實驗中，如果高于最佳冷凍率，細胞內(nèi)冰晶的形成導(dǎo)致細胞生存率的下降。由于水分通過細胞膜的轉(zhuǎn)運，所形成細胞內(nèi)冰晶的形成是取決于冷凍率,當細胞被快速冷凍而無法與細胞外溶液達到平衡時，細胞內(nèi)的溶液則開始表現(xiàn)熱動力學(xué)的超冷和不穩(wěn)定。細胞內(nèi)冰晶的形成可能增加了超冷現(xiàn)象的發(fā)生�，F(xiàn)在還不清楚導(dǎo)致細胞內(nèi)冰晶形成的核心部分是來自于細胞內(nèi)、細胞外或細胞膜。然而，細胞冰晶體形成是導(dǎo)致細胞死亡的主要原因，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，細胞間液張力過強，細胞內(nèi)細胞器(線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng))腫脹或消失。細胞核碎裂或溶解,血管基底膜腫脹或斷裂等表現(xiàn)。細胞冷凍生物學(xué)的研究結(jié)果提示：組織細胞被低溫損傷的過程可以分為三個階段：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，在較高的低冰點溫度下，冰晶有再次冰晶化的趨向。再次冰晶化將導(dǎo)致細胞外空間的分解，并導(dǎo)致組織細胞的裂解。在消融過程中，隨著冰的融化，細胞外的溶液可以部分或完全的成為高滲液，使水分進入細胞，使細胞膜進一步擴張或破裂。當消融的速度很快，某些細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,進一步保證了消融靶區(qū)細胞壞死的治療效果。
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制之一。在冷凍過程中，冷凍區(qū)血循環(huán)被阻斷。實驗表明在消融短時間之后，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)皮細胞出現(xiàn)損傷，在融解后幾小時之內(nèi)，內(nèi)皮細胞被剝離。伴隨著毛細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小時內(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)域的癌細胞也會死亡。因而冷凍可能是第一個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，先在細胞組織間質(zhì)中形成的冰晶會從細胞內(nèi)部吸收水分。細胞內(nèi)的失水會妨礙細胞內(nèi)的結(jié)冰，在某種程度上保護了細胞免于低溫損傷壞死，這也是液氮治療系統(tǒng)復(fù)發(fā)率高的原因。細胞內(nèi)冰晶的形成是低溫治療毀損細胞的關(guān)鍵，這也是氬氦刀靶向治療系統(tǒng)的先進技術(shù)的體現(xiàn)。氬氣的迅速制冷，細胞內(nèi)冰晶快速形成，結(jié)晶就會通過細胞之間的橋梁延伸到所有的組織細胞，產(chǎn)生一種多米諾骨牌效應(yīng)�；谶@個原理。癌細胞在冷凍摧毀過程中，四個因素起著決定性作用：即最低冷凍溫度范圍；細胞內(nèi)冰晶形成的速度；冷凍時間的長短；
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