抗代謝物（Antimetabolites）的概念始於 George Hitchings 和 Gertrude Elion 的先驅工作（1988 年諾貝爾獎），他們基於理性藥物設計（rational drug design）原則，利用核酸代謝的生化知識開發了 6-MP、azathioprine 和 acyclovir 等劃時代藥物。
Methotrexate 的分子藥理學
MTX 進入細胞後經 folylpolyglutamate synthetase（FPGS）多谷氨酸化，生成 MTX-polyglutamates（MTX-PGs），不僅增強對 DHFR 的親和力（Ki ≈ 1 nM），還直接抑制 thymidylate synthase 和 AICAR transformylase（Genestier et al., 2000）。MTX-PGs 在細胞內的累積是療效的關鍵決定因子——ALL 患兒中，母細胞 MTX-PG 累積量與預後顯著相關（Whitehead et al., 1990）。
MTX 的抗炎機制（低劑量用於 RA）與其抗腫瘤機制不同。Cronstein（2005）提出 MTX 增加細胞外腺苷（adenosine）濃度——AICAR 的累積抑制了 adenosine deaminase，導致腺苷釋放增加，經 A2A 受體介導抗炎效應。
5-FU 的代謝活化與抗性機制
5-FU 本身是前藥（prodrug），需經多步代謝活化。其主要活性代謝物 FdUMP 與 thymidylate synthase（TS）和 5,10-methylenetetrahydrofolate 形成共價三元複合體（ternary complex），不可逆地抑制 TS（Danenberg, 1977）。Leucovorin 增強 5-FU 療效正是因為增加了 5,10-CH₂-THF 的供應，穩定了三元複合體。
TS 過度表現是 5-FU 抗性的主要機制之一。Johnston 等人（1995）發現 TS 啟動子多態性（2R/3R tandem repeats）影響 TS 表現量和 5-FU 敏感度，開啟了化療個體化的先河。此外，DPD（dihydropyrimidine dehydrogenase）是 5-FU 的主要分解代謝酵素——DPD 缺乏（DPYD 基因多態性）患者可能出現致命性毒性（Diasio & Harris, 1989），CPIC 和 DPWG 均建議治療前進行 DPYD 基因分型。
嘌呤類似物與 TPMT 藥物基因組學
6-MP 經 hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase（HGPRT）活化為 6-thioguanine nucleotides（6-TGNs），摻入 DNA 引發 MMR（mismatch repair）系統識別和凋亡。TPMT（thiopurine S-methyltransferase）是主要的失活酵素——Weinshilboum & Sladek（1980）發現 TPMT 活性呈現遺傳多態性分佈，約 0.3% 人群為純合型低活性（TPMT*3A/*3A），接受標準劑量 6-MP 會出現致命骨髓抑制。CPIC 指引建議 TPMT 和 NUDT15 雙基因分型後再開始 thiopurine 治療。
前沿發展
核苷類似物仍是新藥開發的活躍領域。Gemcitabine（dFdC）作為 deoxycytidine 類似物，透過「自我增效」機制（masked chain termination + 抑制 ribonucleotide reductase 增加自身活化）展現獨特藥理特性（Plunkett et al., 1995）。Trifluridine/tipiracil（TAS-102）克服了傳統氟嘧啶的快速代謝問題。在抗病毒領域，核苷類似物如 sofosbuvir（HCV）和 remdesivir（SARS-CoV-2）的成功進一步證實了這類藥物平台的持久價值。