三個屬於此類的藥物：Theophylline（茶鹼）, Theobromine，和 Caffeine（咖啡因），這三個化合物在日常生活中主要出現在飲料中（分別是茶、可可和咖啡）。他們曾經是治療氣喘的主要用藥，但在證明吸入性腎上腺素受體促進劑對急性氣喘，以及吸入性抗發炎藥用於慢性肺炎具有更好的療效後，這一類藥物幾乎沒有再被使用。加速 Theophylline 失去地位的另一個原因是副作用（噁心、嘔吐、顫抖和心律不整），且因為治療指數太狹窄，需要做血中濃度監測。不過因為它成本低，在某些國家還有被用於氣喘中。

化學

Theophylline 是 1,3-dimethylxanthine；Theobromine 是 3,7-dimethylxanthine，Caffeine 是 1,4,7-Trimethylxanthine（下圖由左到右依序為 Theophylline、Theobromine 和 Caffeine）

用於治療的 Theophylline 產品是 Aminophylline，是 Theophylline 與 Ethylenediamine 形成的複合物

Theophylline 代謝產物是 demethylated xanthines（不是尿酸），經尿液排泄

作用機轉

學術界提出許多可能的機轉，但沒有一個被完全確認
體外實驗中，在高濃度下，他可以抑制多種 PDE 酵素，提高細胞內 cAMP 濃度，在某些組織是 cGMP
- cAMP 調節許多細胞功能，包括刺激心臟功能、平滑肌放鬆、降低特定細胞的免疫和發炎活性
另一個可能機轉是抑制細胞表面的 adenosine 受體
- Adenosine 可以使呼吸道平滑肌收縮，以及使支氣管肥大細胞釋放組織胺
- 但是，沒有拮抗 adenosine 受體活性的 xanthine 衍生物（Enprofylline）卻也可以抑制氣喘患者支氣管收縮
第三種可能機轉是它們會加強組蛋白去乙醯化
- 乙醯化組蛋白會使發炎基因轉錄
- 皮質類固醇的作用，有部分是將組蛋白去乙醯化招到發炎症因的轉錄位，此作用可以被低劑量 theophylline 增強
- 這預測低劑量 theophylline 可以加強皮質類固醇治療的療效，但與臨床不合
認為使呼吸道平滑肌放鬆應該是因為抑制 PDE3，抑制 PDE4 可以抑制釋放細胞激素和趨化因子，因而降低免疫細胞遷移和活化
促成大家在開發選擇性 PDE4 抑制劑：Roflumilast，已核准用於 COPD 治療

藥效動力學

Methylxanthines 對中樞系統、腎臟、心臟、骨骼肌和平滑肌都有影響。在這三個藥中，theophylline 對平滑肌選擇性最高，Caffeine 對中樞神經系統影響最明顯。

中樞神經系統

所有的 methylxanthines，尤其是 caffeine，輕度引起皮質喚醒，增加警覺性和延緩疲勞。一杯含有 100 mg caffeine 的咖啡對一些敏感的個體引起緊張和失眠，以及對氣喘患者稍微支氣管擴張。可以有效引起支氣管擴張的劑量會引起緊張和顫抖，非常高的劑量會髓質刺激、抽慉，甚至死亡

心血管系統

Methylxanthines 有 positive chronotropic 和 inotropic 作用。在低劑量，這作用來自於抑制交感神經突觸前 adenosine 受體，增加神經末端釋放兒茶酚素。高劑量（>10 μmol/L，2 mg/L）會抑制 PDE，增加 cAMP，導致鈣離子流入。在非常高的劑量（>100 μmol/L），會使肌漿網的鈣螯合能力受損。臨床經驗上，每個個體受影響的程度不同，普通食用含 methylxanthine 的飲料，通常會產生輕微心動過速、心輸出量增加，周邊阻力上升，可能會稍微拉升血壓。對於比較敏感的個體，可能喝幾杯咖啡就會心律不整。高劑量會使血管平滑肌放鬆，但腦血管收縮。Methylxanthine 降低血液濃度，可能在某些情況下可以改善血流，這作用的機轉尚不清楚，但這作用是在以 pentoxifylline （dimethylxanthine 藥物）治療間歇性跛行時發現的。

消化道系統

Methylxanthines 刺激胃酸和消化酵素分泌，即使是去咖啡因的咖啡也會刺激分泌，表明主要導致分泌作用的不是 caffeine。

腎臟

Methylxanthines，尤其是 theophylline，是弱利尿劑。可能與提高腎絲球過濾和降低腎小管鈉再吸收有關。利尿效果不明顯到足以作為治療使用。

平滑肌

支氣管擴張是 methylxanthines 治療氣喘的主要作用，除了呼吸道平滑肌外，在足夠濃度下，可以抑制肺組織中抗原誘導組織胺釋放。

骨骼肌

Methylxanthines 對呼吸系統的影響不只呼吸道，它們也改善骨骼肌收縮力，並讓 COPD 患者恢復他們的橫膈疲勞。這作用能解釋 theophylline 能改善對低氧的通氣反應並減輕呼吸困難的能力，即使在不可逆呼吸道阻塞的患者中也是如此。

不良反應

Theophylline 的副作用：

副作用	可能機轉
噁心與嘔吐	抑制 PDE4
頭痛	抑制 PDE4
胃不適	抑制 PDE4
利尿	拮抗 A₁ 受體
行為障礙（？）	？
心律不整	抑制 PDE3 和 A₁ 受體
癲癇	拮抗 A₁ 受體

臨床使用

在這些藥物中，theophylline 的支氣管擴張作用最強，它減緩急性氣喘的呼吸道組塞和降低慢性氣喘症狀的嚴重程度。但由於其他藥品的療效和安全性，特別是吸入性 β₂ 促進劑和吸入性類固醇，以及必須做血中濃度監測，使得 theophylline 漸漸沒有用在氣喘上。