替莫唑胺药品完全是依靠烷基化DNA中的鸟嘌呤干扰基因转录从而发挥药效，然而06-甲基鸟嘌呤－DNA甲基转移酶（MGMT），却能转移烷基从而修复DNA的损伤。但是在替莫唑胺药物成分中06-甲基鸟嘌呤－DNA甲基转移酶（MGMT）缺失，无法修复损伤的DNA,而甲基胍就是在下一次DNA 复制中与胸腺嘧啶配对，这会触发DNA的错配修复机制；而该机制的触发只会导致不正确的胸腺嘧啶的插入。以上这些无效的修复只会导致DNA链的断裂，从而激活细胞凋亡或衰老样生长阻滞。
大部分报道替莫唑胺对于治疗内分泌相关的肿瘤，尤其是促肾上腺皮质细胞瘤和泌乳素瘤，相较进展迅速的垂体肿瘤存在明显优势；对于脑垂体肿瘤来说，替莫唑胺通常作为单一疗法使用。标准剂量是150-200mg/m2, 5天一个周期。临床队列分析，显示促肾上腺皮质细胞瘤和泌乳素瘤有接近50%的有效应答率。内分泌无关的肿瘤，只有22%的肿瘤存在有效应答。替莫唑胺的药效通常在治疗开始后的第三个周期内开始发挥作用，也有人证实三个治疗周期后，替莫唑胺的药效会消失，可能提示存在药物抵抗反应。因此，有研究者认为对于替莫唑胺前期3个疗程的应用足够提示我们该药物对于病人的药效如何。
替莫唑胺在应用之后产生效应，肿瘤趋于稳定后停药后可能会出现的症状或重新开始治疗的指证仍然不明确。有研究者指出在治疗停止后重新治疗似乎效果不甚理想。所以患者的用药时间和停药的时间需要更合理，因为血小板减少症或嗜中性白血球减少症是最常见的并发症，存在剂量限制毒性。非血液学的副作用常常是轻微的，比如疲乏、恶心和呕吐等。替莫唑胺与其它化疗药物配伍性比较好。其它抗肿瘤的烷化剂大多与次级毒性反应有关，但替莫唑胺是否存在此种次级毒性反应仍不明确
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