烷化劑是最早問世的細胞毒物藥物，自 1942 年應用氮芥用於治療惡性淋巴瘤以來，烷化劑基礎研究和臨床應用迅速發展，目前已成為腫瘤化學治療藥物中最主要的一類藥物。
烷化劑作用機制
烷化劑通常含有一個或兩個烷基，烷基就是具有細胞毒作用的成分。烷基可轉變成缺電子的活潑中間體，這些中間體快速與細胞中許多具有親和作用的物質形成共價鍵。因此烷基化基團易與細胞的 DNA、RNA 及蛋白質等生物大分子中含有的電子基團 (如氨基、巰基、羥基、羧酸基、磷酸基等) 共價結合，發生烷化反應，使這些細胞成分在細胞代謝中失去作用，形成交叉連接或脫嘌呤作用，阻止 DNA 複製，使 DNA 鏈斷裂或 DNA 複製時出現鹼基錯配，從而使 DNA 的結構和功能破壞，這樣細胞的組成發生變異，影響細胞分裂，致使細胞死亡。
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烷化劑種類
烷化劑類藥物按化學機構分為氮芥類、乙撐亞胺類、甲磺酸酯類及多元醇類、亞硝基脲類、金屬鉑類配合物。
氮芥類
氮芥類化合物分子由兩個部分組成，烷基化部分和載體部分，載體部分的改變可以改善藥物在體內的藥代動力學性質，根據載體的不同可以分為脂肪氮芥和芳香氮芥、胺基酸氮芥、雜環氮芥、多肽氮芥。
脂肪氮芥作用機制：脂肪氮芥鹼性較強，在生理 pH 時，進攻 β 乙基的能力很強，去除氯離子，生成親電性的高活性乙撐亞銨正離子，極易與細胞中的親核中心起烷基化反應，氮芥類主要通過在 DNA 上鳥嘌呤結構中發生烷劑化，與 DNA 交聯，使 DNA 失活。
鹽酸氮芥是第一個在臨床中使用的抗腫瘤藥，是脂肪氮芥，化學名：N-甲基-N-（2-氯乙基）-2-氯乙胺，僅對惡性淋巴瘤有效，選擇性差，毒性很大，不能口服。其先導化合物為氮芥，結構的改造可以降低毒性作用，但相應的抗瘤性也減少。
改造一：製成了芳香氮芥，減小氮原子上電子云密度，降低其活性，提高了選擇性。如苯丁酸氮芥，慢性淋巴細胞白血病的首選藥。
改造二：用胺基酸、嘧啶、甾體激素等作為載體，提高了腫瘤組織的藥物濃度。例如美法侖是用苯丙氨酸為載體設計的，主要用於多發性骨髓瘤、乳腺癌、卵巢癌等。將美法侖結構中苯丙氨酸部分的氨基甲醯化，稱為氮甲，毒性低於美法侖，可以口服給藥。
改造三：磷醯化氮芥基團，吸電子的磷醯基使氮原子上的電子云密度降低，氮原子的親和性降低氯原子的烷基化能力，從而毒性降低，使其成為體外無活性的前藥。前藥進入體內後發生酶催化反應，在正常組織中氧化為無毒代謝物，而腫瘤細胞中缺乏正常組織所具有的酶，不能進行上述轉化，代謝物經 β 消除產生丙烯醛、磷醯氮芥及其水解產物氮芥，三者都是較強的烷化劑。
環磷醯胺是抗瘤譜較廣，毒性較其他氮芥類藥物小。對淋巴瘤、白血病、多發性骨髓瘤、乳腺癌、肺癌等均有效。異環磷醯胺是環磷醯胺的類似物，兩者作用機制相似，抗瘤譜不完全相同，可用於骨及軟組織肉瘤、非小細胞肺癌、乳腺癌等。
氮芥類不良反應：
鹽酸氮芥具有消化道反應、骨髓抑制、脫髮、乏力、頭暈、栓塞性靜脈炎、影響生殖功能等不良反應。
注射漏於血管外可引起壞死、潰瘍，若發生立即皮下注射 5～10% 硫代硫酸鈉或生理鹽水。
環磷醯胺具有骨髓抑制、脫髮、消化道反應、中毒性肝炎、口腔炎、膀胱炎、心肌炎、停經、不育、無精子、肺纖維化等不良反應。
患者肝腎功能異常時毒性增加。大劑量使用時需要水化利尿，同時應用尿路保護劑，以預防出血性膀胱炎。
乙撐亞胺類
脂肪氮芥類藥物通過在體內轉變成乙撐亞胺中間體發揮烷化劑作用，合成直接含有乙撐亞胺基團的化合物。某些結構在氮原子上取代吸電子基團，降低其反應性，從而降低毒性。臨床上最常用的乙撐亞胺類是塞替派。
塞替派脂溶性大，對酸不穩定，不能口服，需要靜脈注射。用於治療乳腺癌、卵巢癌、膀胱癌等。
不良反應：骨髓抑制，消化道反應，無精子，無月經。
磺酸酯類及多元醇類
磺酸酯類及多元醇類是一類非氮芥類的烷化劑。甲磺酸酯易離去，生成碳正離子或與生物大分子發生親核取代反應進行烷基化，白消安（又稱馬利蘭）是常用的磺酸酯類。
白消安化學名為 1，4-丁二醇二甲磺酸酯，是雙功能烷化劑，與 DNA 分子中的鳥嘌呤核苷酸的 N 烷基交聯，與胺基酸、蛋白質中-SH 反應，從分子中去除 S 原子。此藥物吸收良好，分布快，代謝慢，用於慢性粒細胞白血病。
臨床應用的多元醇類藥物主要是滷代多元醇，這類藥物進入體內後會形成雙環氧化物而產生烷化作用。例如二溴甘露醇、二溴衛矛醇等。
不良反應：骨髓抑制，消化道反應。
亞硝基脲類
亞硝基脲類具有 β-氯乙基亞硝基脲結構，有較強的親脂性，易通過血腦屏障進入腦脊液，適用於腦瘤、轉移性腦瘤、中樞神經系統腫瘤和惡性淋巴瘤等，具有最廣譜的抗腫瘤作用。
N-亞硝基的存在使該氮原子與鄰近羰基之間的鍵變得不穩定，在體內分解生成親電性基團，與 DNA 發生烷基化。臨床常用的有卡莫司汀，洛莫司汀，司莫司汀，尼莫司汀等。主要副作用為遲發性骨髓抑制。
金屬鉑類
順鉑屬於細胞周期的非特異性藥物，具有細胞毒性，可抑制癌細胞 DNA 複製過程，並損傷其細胞膜上的結構，有較強的廣譜抗癌作用。用於卵巢癌、睪丸癌的一線藥物，還用於非小細胞肺癌、頭頸部鱗癌、乳腺癌、鼻咽癌、食管癌等，有較好療效，無交叉耐藥性，並有免疫抑制作用。
不良反應：
水溶性差，只能注射給藥，緩解期短。
有嚴重的腎毒性，胃腸道毒性，耳毒性及神經毒性。