Cơ chế tác động chính của phương pháp tắc mạch hóa chất sử dụng hạt vi cầu (gọi tắt là tắc mạch vi cầu) cũng như tắc mạch hóa chất truyền thống là gây ra sự thiếu máu nuôi dưỡng khối u cùng với tác dụng độc tế bào của hoá chất chống ung thư [3],[24],[76],[112]. Cơ chế này dựa trên nền tảng sinh lý bệnh là nguồn cung cấp máu cho khối u chủ yếu từ động mạch, khác biệt so với nhu mô gan lành là chủ yếu từ nguồn tĩnh mạch cửa. Tắc mạch chọn lọc hoặc siêu chọn lọc làm tăng hiệu quả thiếu máu tại chỗ khối u, trong khi hạn chế tổn thương phần nhu mô gan lành xung quanh. Về tác dụng độc tế bào, nồng độ hoá chất trong khối u càng cao, thời gian lưu giữ hoá chất trong khối u càng lâu thì hiệu quả tiêu diệt tế bào ung thư càng tốt. Tuy nhiên, song song với điều đó cần phải hạn chế thấp nhất nồng độ hoá chất ở nhu mô gan lành cũng như ở tuần hoàn hệ thống nhằm hạn chế nguy cơ suy gan và độc tính toàn thân sau can thiệp. Trong tắc mạch hóa chất truyền thống, lipiodol đóng vai trò là chất mang, gắn kết hoá chất chống ung thư theo cơ chế nhũ tương hoá (các phân tử hoá chất nằm trong các giọt dầu), lưu giữ hoá chất ở bên trong môi trường khối u lâu hơn khi bơm hoá đơn thuần, tuy nhiên không có tác dụng giải phóng thuốc một cách ổn định theo thời gian. Ngoài ra lipiodol còn làm tăng cường hiệu quả thiếu máu bên cạnh vai trò của chất gây tắc mạch như spongel, PVA… nhờ làm tắc nghẽn tạm thời các xoang tĩnh mạch cửa [24],[76]. Trong tắc mạch vi cầu, nhờ cấu trúc đặc hiệu của các hạt vi cầu, hoá chất chống ung thư được gắn kết chặt chẽ và phóng thích theo cơ chế hoá học; do vậy được lưu giữ lâu hơn và được giải phóng một cách ổn định, bền vững trong khối u. Độc tính của hoá chất cũng được tăng cường bởi sự thiếu máu tế bào gây ra bởi các hạt vi cầu DC Beads làm tắc ngẽn lâu dài lòng các mạch máu tăng sinh cùng với động mạch nuôi khối u [3],[89].
Nghiên cứu dược động học của hoá chất sau khi sử dụng phương pháp tắc mạch hóa chất truyền thống cho thấy, thời gian bán thải của doxorubicin trong khối u dài gấp 2 đến 3 lần so với khi truyền hoá chất qua đường động mạch, thời gian tồn tại của Doxorubicin trong khối u có thể tới 1 tháng. Nồng độ của Doxorubicin trong khối u cao gấp 9 lần so với nhu mô gan lành xung quanh. Khi so sánh với truyền hoá chất toàn thân, nồng độ doxorubicin trong khối u cao hơn 2 lần khi sử dụng tắc mạch hóa chất truyền thống. Tuy nhiên không thể dự đoán sự đào thải của hoá chất khỏi khối u, sự tắc nghẽn cơ học của các mạch máu tăng sinh phụ thuộc vào bản chất và kích thước vật liệu gây tắc mạch [80].
Trong khi đó, tắc mạch vi cầu chỉ sử dụng một tác nhân duy nhất (các hạt vi cầu được tải hoá chất) với đặc tính đã được xác định là vừa gây thiếu máu do tắc nghẽn, vừa đồng thời giải phóng hoá chất chống ung thư một cách ổn định bên trong khối u. Hơn nữa kỹ thuật có thể được thực hiện với một quy trình chuẩn hoá như đối với tắc mạch hóa chất truyền thống. Nhờ tính chất đặc hiệu của các hạt vi cầu, liều lượng hoá chất được sử dụng cho mỗi lần can thiệp cao hơn so với trong phương pháp truyền thống, do đó làm tăng hiệu quả độc tế bào trong khi không lo ngại sự khuếch tán quá nhiều hoá chất ra tuần hoàn ngoại vi [89]. Tăng khả năng bắt giữ và phóng thích bền vững hoá chất trong tắc mạch vi cầu đã được chứng minh bằng kỹ thuật vi quang phổ huỳnh quang ở các nghiên cứu trên động vật (như đã đề cập ở trên). Doxorubicin được phóng thích liên tục trong khối u có thể tới 90 ngày sau khi tắc mạch và thời gian bán thải của Doxorubicin ra khỏi khối u là khoảng 60 đến 100 ngày[104]. Nghiên cứu của Hong và cộng sự trên thỏ cho thấy nồng độ doxorubicin tại thời điểm 72 giờ sau tắc mạch vi cầu cao hơn 4 lần so với tắc mạch hóa chất truyền thống [55].
Sau khi điều trị bằng tắc mạch sử dụng hạt vi cầu tải hóa chất, hoại tử khối u đạt cao nhất vào ngày thứ 7 đến thứ 14. Trong thời kỳ này, hầu hết
các tế bào ung thư bị hu tuần hoàn ngoại vi là tố tắc mạch hóa chất truy UTTBG được phẫu thu thấy có sự hoại tử rất sâu s khối u mà điều này ít th