遗传不稳定性使癌细胞能够快速获得对治疗药物的耐药性。

例如，虽然初始药物治疗可以消除大部分肿瘤细胞，但一小部分耐药突变细胞（称为持久性细胞）可能会耐受药物治疗并分裂形成另一种肿瘤。这种新肿瘤的所有细胞现在都对初始药物产生耐药性，导致治疗失败。

癌细胞使用多种策略来产生对治疗的耐药性。

首先是抑制药物活化。例如，用于治疗急性髓系白血病的药物 Cytosine arabinoside 必须在细胞内被多个磷酸化事件激活。该激活途径发生突变的癌细胞可以抑制胞嘧啶阿拉伯糖苷的激活，导致耐药性。

第二种策略是药物靶点修饰。考虑使用拓扑异构酶 II，它可以减少 DNA 超螺旋，使细胞中的 DNA 复制更顺畅。某些抗癌药物靶向并抑制拓扑异构酶活性，以阻止快速分裂的癌细胞中的 DNA 复制。

然而，耐药癌细胞可以突变拓扑异构酶 II，使其不再与药物结合，从而使药物失效。

第三种耐药策略是癌细胞药物外排的增加。例如，基因 MDR1 编码 ATP 结合盒转运蛋白或 ABC 转运蛋白，它可以将亲脂性药物泵出细胞。耐药癌细胞通常过度表达转运蛋白，从而降低药物的细胞内浓度。

Mdr1 转运蛋白可以外排化疗中使用的多种药物，并导致癌细胞产生多药耐药性。

第四种耐药策略是提高 DNA 损伤反应。一些烷化药物将鸟嘌呤核苷酸甲基化成 O6-甲基鸟嘌呤，导致肿瘤细胞发生错配突变。

耐药性肿瘤细胞可以过表达一种称为 O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶 （MGMT） 的酶，该酶在突变传递给下一代之前将修饰的碱基转化回鸟嘌呤，从而抵消药物作用。