目前尚不能解释羟基脲抗肿瘤作用的确切反应机理。然而,根据对大鼠和人类的各种组织培养的研究成果,科学家提出这样的假设,即作为核糖核苷酸还原酶抑制剂,羟基脲可立即抑制 DNA 的合成,而不会干扰核糖核酸或蛋白质合成。该假设解释了为什么在某些条件下,羟基脲可诱发畸胎。
现已假设了三种作用机制,解释了为什么羟基脲与放疗联用治疗头颈部鳞状细胞(表皮样)癌时有效性会增加。中国仓鼠细胞的体外研究表明,羟基脲(1)通常对具有放射抗性的S 期细胞是致命的,并且(2)可以将其他细胞的细胞周期保持在 G1 或 DNA 前合成阶段,这也是细胞最容易受到放射影响发生畸变的阶段。(3)第三种作用机制已经在 HeLa 细胞体外研究的基础上被理论化。即通过抑制 DNA 合成,羟基脲可以阻碍受损但未被辐射杀死的细胞的正常修复过程,从而降低了这些细胞的存活率,但羟基脲不会影响 RNA 和蛋白质的合成。