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，細胞的生物化學反應能力減低，細胞膜離子通道發生障礙，細胞膜滲透性增強。這種損傷通常是可以逆轉的。當溫度低于零度或零度以下時細胞脫水：當溫度低于-0.56℃,細胞間質液體冷凍，但細胞內液仍不冷凍。這個階段將引起細胞內外電解質和滲透壓的改變導致細胞脫水，細胞膜損傷。在正常情況下，膜蛋白通過向細胞內部有選擇性的導入或移出離子來控制細胞內外平衡。但是生命的過程是溫度依賴性的化學反應。降低溫度將減低細胞膜蛋白的效率和平衡細胞內容物的能力。因此,在冷凍期間,細胞內的成分組成特別是細胞內離子的組成開始發生改變，有害離子滲入細胞并無法轉運出去，隨著時間變化,特別是當細胞回復到正常生理溫度時，損害就表現出來。更多的損傷機制與細胞骨架有關，細胞骨架結構依賴于存在于細胞膜蛋白和細胞構架之間的化學鍵。溫度的降低削弱化學鍵的活力，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離子內容變化過程中所產生的蛋白變性。大部分細胞組織可以耐受高于凍結溫度的短暫冷卻,因此在冷凍治療過程中，可以預計，在凍結區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變溫度，可導致鈣離子流入,引發血小板的激活，導致凍結病變區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的超冷凍，并與冰達到的熱力學平衡。為了平衡細胞內外溶解物的化學穩定性,水將通過細胞膜離開細胞，引起細胞內溶液濃度的增加，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致細胞攣縮。當溫度過低現象發生在攝氏-10℃~-15℃左右，冰晶開始在細胞內形成，當溫度迅速下降至-40℃~-100℃，可使冰晶迅速在細胞內外和微靜脈及微動脈內形成，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冰晶體的突然形成相關，在冰凍保護的實驗中，如果高于最佳冷凍率，細胞內冰晶的形成導致細胞生存率的下降。由于水分通過細胞膜的轉運，所形成細胞內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，細胞內的溶液則開始表現熱動力學的超冷和不穩定。細胞內冰晶的形成可能增加了超冷現象的發生�，F在還不清楚導致細胞內冰晶形成的核心部分是來自于細胞內、細胞外或細胞膜。然而，細胞冰晶體形成是導致細胞死亡的主要原因，構成了現代冷凍治療技術發展的理論基礎。
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，脂質過氧化反應增強，細胞間液張力過強，細胞內細胞器(線粒體、內質網)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。細胞冷凍生物學的研究結果提示：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-解凍復溫。解凍和回暖也會導致細胞的損傷的過程。在冷凍狀態下，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。再次冰晶化將導致細胞外空間的分解，并導致組織細胞的裂解。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，采用氦氣快速復溫融解,進一步保證了消融靶區細胞壞死的治療效果。
對于血管系統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，冷凍區血循環被阻斷。實驗表明在消融短時間之后，冷凍區域的邊緣出現水腫，然后冷凍區域的血管內皮細胞出現損傷，在融解后幾小時之內，內皮細胞被剝離。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，小的血管被完全地封閉。失去了血液的流動最終導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治療癌癥的技術。
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BorisRubinsky教授對原發性腎上腺癌細胞的冷凍測試結果提示：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冰速度慢，先在細胞組織間質中形成的冰晶會從細胞內部吸收水分。細胞內的失水會妨礙細胞內的結冰，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復發率高的原因。細胞內冰晶的形成是低溫治療毀損細胞的關鍵，這也是氬氦刀靶向治療系統的先進技術的體現。氬氣的迅速制冷，細胞內冰晶快速形成，結晶就會通過細胞之間的橋梁延伸到所有的組織細胞，產生一種多米諾骨牌效應�；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；細胞內冰晶形成的速度；冷凍時間的長短；
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