替莫唑胺对于晚期多形性成胶质细胞瘤的治疗具有良好效果，但治疗其他一些中枢神经系统肿瘤也有效，如神经内分泌瘤，并且被认为是治疗神经胶质瘤的金标准。它的治疗作用是通过烷基化和甲基化特定的鸟嘌呤位点，因此损坏DNA，从而引起肿瘤细胞凋亡。O（6）-甲基鸟嘌呤甲基转移酶（MGMT）下调的患者用替莫唑胺治疗有效，MGMT是一种修复DNA损伤的酶，可以清除DNA上的烷化剂，但也有报道MGMT表达与替莫唑胺之间负相关，这个发现现在还没有被证实，因为MGMT的表达不一定能准确的预测治疗肿瘤的效果。
由于替莫唑胺的特异性，口服给药，治疗脑瘤还因为它能很快穿过血脑屏障，在脑组织中脂溶性较好。此外，它对细胞周期没有特异性，可用于治疗进展相对缓慢的肿瘤，如垂体瘤。自2006年以来，替莫唑胺还被推荐用于治疗垂体癌和侵袭性的传统治疗耐药的垂体腺瘤。从2006年到2013年，Chatzellis等人报道了29例垂体癌患者，32例侵袭性垂体腺癌接受替莫唑胺治疗，根据报道总体临床和放射学缓解率垂体癌为69%，腺瘤为60%。
4项小样本研究显示部分肿瘤缓解率垂体癌为55%，腺瘤为41%。如果把肿瘤的稳定作为阳性结果，替莫唑胺的有效率垂体癌增加到72%，腺瘤增加到70.5%。近期发表的一项研究，入选了31名意大利垂体腺癌患者，接受替莫唑胺治疗，2年PFS为47.7%，2年疾病控制时间为59%，2年和4年OS分别为84%和59.6%。因此，替莫唑胺被证明为这类肿瘤治疗的有效的选择。
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