喜樹堿衍生物主要代表藥物有托泊替康(Topotecan，TPT)和伊立替康(Irinotecan，CPT-11)，已被研究及用于臨床。托泊替康(9-二甲基氨乙烷-10-羥基喜堿鹽酸)是DNA拓撲異構酶Ⅰ抑制劑，是一個半合成、水溶性天然喜樹堿衍生物，當溶于生理鹽水時，其結構中的內酯環水解成開環的羥基酸，二者形成動態平衡，內酯型的抗癌活性較羥基酸高得多，而羥基酸型是血液中存在的主要形式，當血pH2～4時以內酯型為主。其抗癌作用機制在于阻止了拓撲異構酶Ⅰ的修復、斷裂DNA的作用，在缺乏拓撲異構酶的情況下，DNA復制過程中的雙螺旋結構快速解螺旋，理論上講將導致復制叉之前增加雙螺旋結構的螺旋結果程度，這種扭力的增加，將使其后的轉錄和復制過程變得不再可能。然而，拓撲異構酶通過產生與DNA的可逆性復合物和引入短暫的由酶介導的拓撲異構酶Ⅰ和拓撲異構酶Ⅱ的斷裂(完整的DNA鏈可經此通過)來減輕這種扭力。通過這種機制才可能產生連續的修復過程。

托泊替康通過與DNA-拓撲異構酶Ⅰ聚合物形成穩定的共價復合物來發揮作用，這是托泊替康具有細胞毒性的原因，其對拓撲異構酶Ⅰ的抑制作用主要在S期發揮效應，由于穩定的“可分裂的復合物”阻斷了DNA的松解和復制，及DNA鏈的斷裂和DNA合成停止，S期細胞被不可逆損害，此外，復制叉也遭到損壞；中斷了DNA的轉錄過程，最后，導致細胞凋亡和死亡，體外研究提示，托泊替康細胞毒活性的重要因素可能使細胞內濃度和暴露時間的長短有關。藥代動力學呈線性表現，血漿中濃度-時間曲線下面積的比例性增長和給予較高劑量后血漿中峰值、穩態濃度的比例性增長都是如此，其分布與代謝屬兩室模型，其藥代動力學參數如峰濃度、曲線下面積與劑量呈正比，并與血液學毒性相關。其組織分布較快，平均腦脊液滲透超過30%。以30分鐘靜脈滴注方法給藥，清除半衰期為3小時，其排泄經自腎臟30%～60%，12小時后90%藥物被清除，而在膽汁及胸水中濃度和血漿相當：腎功能差的患者劑量應予以調整，如血肌酐清除率≥40ml/分鐘不必改變劑量，20～39ml/分鐘時，劑量要減50%；血液膽紅素>25.5μmol/L而<170μmol/L時無需調整劑量。

伊立替康是另一種喜樹堿的水溶性衍生物，在體內受羧酸酯酶作用脫去吡啶基、吡啶羰基轉變為代謝物SN-38而發揮抗腫瘤作用，SN-38對腫瘤細胞的作用比伊立替康強100倍，伊立替康抑制DNA拓撲異構酶Ⅰ在染色質組織化、有絲分裂、DNA復制、再聯合及轉錄中有非常重要的作用，它不要求能量供應，首先通過磷酸鍵與DNA結合，形成可斷裂性復合物，通常可斷裂與非共價鍵結合的不可斷裂的復合物形成平衡，伊立替康則使平衡移向可斷裂復合物方向，引起單鏈斷裂。本品抗腫瘤譜廣，體外抑制細胞繁殖的活性較弱，但其代謝物SN-38的活性與ADM相同或更強。對小鼠腫瘤L1210、P388、S180、MethA、3LL、B16及大鼠腫瘤CO-4、MX-1、QG-56、ST15、SC-6等細胞株具有良好的抗腫瘤作用，對長春新堿、多柔比星、順鉑、依托泊苷、氟尿嘧啶等并用，可增強抗腫瘤作用，與現有抗腫瘤藥物無交叉耐藥性。