Cladribine là một chất tương tự deoxyadenosine đặc biệt, trong đó nguyên tử hydro ở vị trí 2 của vòng purine được thay thế bằng nguyên tử clo, giúp thuốc chống lại sự khử amin bởi enzyme adenosine deaminase (ADA). Nhờ đó, cladribine tồn tại ổn định trong cơ thể và tập trung tác động lên tế bào lympho T và B - hai nhóm tế bào miễn dịch chủ chốt đóng vai trò quan trọng trong cơ chế bệnh sinh của đa xơ cứng.
Khi vào trong tế bào lympho, cladribine được phosphoryl hóa nhờ enzyme deoxycytidine kinase (DCK), một quá trình tăng mạnh khi có nồng độ cladribine cao. Dạng phosphoryl hóa có hoạt tính này gây ức chế tổng hợp và sửa chữa DNA, đồng thời làm rối loạn hoạt động của các enzyme ribonucleotide và endonuclease nội bào. Từ đó, cladribine kích hoạt quá trình apoptosis - chết theo chương trình của tế bào lympho, làm giảm số lượng tế bào T và B.
Ở nồng độ thấp, cladribine lại làm tăng hoạt tính của phosphatase 5'-nucleotidase, enzym này sẽ bất hoạt dạng đã phosphoryl hóa, giúp kiểm soát mức hoạt động của thuốc trong tế bào. Chính nhờ cơ chế này mà cladribine có khả năng chọn lọc làm suy giảm miễn dịch, tập trung đặc hiệu vào các tế bào lympho mà không gây tổn thương rộng rãi các tế bào khác.
Tế bào lympho T và B trong bệnh đa xơ cứng bị kích hoạt sẽ giải phóng nhiều cytokine tiền viêm, tạo thành phản ứng viêm mạn tính trong hệ thần kinh trung ương. Các tế bào T tự phản ứng với myelin cùng với hoạt động của tế bào B góp phần hình thành các dải immunoglobulin G oligoclonal trong dịch não tủy, là dấu ấn đặc hiệu của bệnh. Bằng cách giảm số lượng và ức chế hoạt động của các tế bào miễn dịch này, cladribine giúp làm giảm phản ứng viêm và tổn thương thần kinh trong bệnh đa xơ cứng. Kết quả là thuốc góp phần giảm đáng kể gánh nặng bệnh tật trên lâm sàng và các hình ảnh chụp MRI, cải thiện tình trạng của người bệnh