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异环磷酰胺与环磷酰胺不同，有一个氯乙基连接恶唑磷酰胺环上，此一结构的差异使其理化性质改变，如异环磷酰胺的溶解度增加，使代谢活性亦增强。异环磷酰胺的活化过程主要是第4位碳的水解，4-羟基异环磷酰胺自动形成醛异环磷酰胺，后者分解成磷酰胺氮芥及丙烯醛。异环磷酰胺的细胞毒作用是与DNA发生交叉联结。异环磷酰胺是细胞周期非特异性药物。给予异环磷酰胺后，细胞周期示G2+M比例增加，使细胞经过G2期延迟。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，异环磷酰胺在3类致癌物清单中。