Les antimétabolites partagent de nombreuses propriétés biologiques. De faible poids moléculaire, ils pénètrent par transport actif ou passif dans les cellules où ils sont métabolisés, principalement dans le foie. Après activation, ces prodrogues se fixent sur différentes enzymes cibles comme la dihydrofolate réductase (méthotrexate), la thymidine synthase (fluorouracile, raltitrexed), la ribonucléotide réductase (cladribine, gemcitabine). Les antimétabolites agissent sur les cellules en phase de synthèse (phase S). Cet effet phase-dépendant suggère que l’administration du médicament en perfusion intra-veineuse continue pourrait être plus efficace. Mais les voies de synthèse des acides nucléiques sont nombreuses et chaque antimétabolite n’affecte en général qu’une voie métabolique. D’où l’idée d’associer à un antimétabolite d’autres agents susceptibles d’interférer simultanément avec d’autres voies métaboliques aboutissant à la synthèse des acides nucléiques. Se sont ainsi développées des associations visant à « moduler » l’action d’un antimétabolite, comme l’association au fluorouracile du méthotrexate, de l’acide folinique, d’un sel de platine, de l’interféron, de la radiothérapie. À l’inverse, les processus conduisant à l’effet cytotoxique étant multiples, la résistance aux antimétabolites est multifactorielle et fait intervenir, selon les cas, les processus de transport intracellulaire, le catabolisme ou l’anabolisme intracellulaire, les modifications génétiques par mutation ou amplification de gènes et les processus de réparation de l’ADN et d’apoptose. 

Les antimétabolites diffusent bien dans l’organisme. Après administration par voie générale à dose élevée, ils traversent la barrière hémato-encéphalique pour se retrouver dans le liquide céphalorachidien à des concentrations cytotoxiques. Ils s’éliminent principalement dans les urines, sauf le fluorouracile. Les antimétabolites ont été les premiers médicaments dont le dosage dans le sang a permis une adaptation individuelle de dose, couramment utilisée pour le méthotrexate, le fluorouracile et la mercaptopurine. Cela évite les surdosages responsables des manifestations toxiques, optimise les doses et permet parfois d’augmenter l’efficacité du médicament. Se développent actuellement des recherches sur le génotype et le phénotype de certaines enzymes cibles des antimétabolites, ce qui permettrait de prévenir certaines toxicités parfois graves et aussi d’adapter la dose au patient.

Lésant également les cellules normales ayant une synthèse active d’ADN, les antimétabolites sont responsables de complications diverses, dont les plus fréquentes sont hématologiques (neutropénie, thrombopénie), digestives (mucite, nausées-vomissements, diarrhée), neurologiques (ataxie, leuco-encéphalopathie), et hépatorénales. Ils sont tératogènes et certains abortifs ; leur administration au premier trimestre de la grossesse augmente le risque de malformations congénitales.

Les antimétabolites sont largement prescrits pour le traitement des cancers et des leucémies, chez l’enfant et chez l’adulte. L’activité spectaculaire du méthotrexate dans les cancers du placenta est malheureusement exceptionnelle pour les autres cancers. Mais en association à d’autres médicaments, les antimétabolites sont actifs dans le traitement de la plupart des tumeurs solides et des hémopathies malignes. À une phase avancée de la maladie, les antimétabolites en monothérapie peuvent parfois entraîner, au prix d’une faible toxicité, une régression des manifestations fonctionnelles et améliorer le confort des malades.