La metahemoglobinemia es una enfermedad caracterizada por la presencia de un nivel anormalmente alto de metahemoglobina (Met-Hb) en la sangre. La metahemoglobina es una forma de hemoglobina que contiene la forma férrica del hierro [Fe3+]. La afinidad del hierro férrico por el oxígeno está alterada. La unión del oxígeno a la metahemoglobina resulta en una afinidad incrementada en el resto de los sitios hemo que están en estado ferroso dentro de la misma unidad tetramérica de la hemoglobina. Esto genera una reducción en la capacidad de los glóbulos rojos para liberar oxígeno en los tejidos y provoca que la curva de disociación de la oxihemoglobina (forma R) se desplace hacia la izquierda. Cuando la concentración de metahemoglobina en los glóbulos rojos es elevada, puede surgir hipoxia tisular.
La metahemoglobinemia puede ser tratada con suplementos de oxígeno y azul de metileno[9]​ en solución al 1% (10 mg/ml) que se administra de 1 a 2 mg/kg por vía intravenosa. El azul de metileno restaura el hierro de la hemoglobina a su estado transportador de oxígeno normal (reducido).
Esto se consigue proporcionando un receptor artificial de electrones (como azul de metileno o flavina) por la NADPH metahemoglobina reductasa. Los glóbulos rojos normalmente no tienen ningún receptor de electrones y la presencia del azul de metileno permite a la enzima funcionar a un nivel cinco veces superior al normal.[10]​ El NADPH es generado a través de la vía de derivación de la hexosa monofosfato.
La diaforasa II normalmente sólo afecta en un pequeño porcentaje reduciendo la capacidad de los glóbulos rojos, pero farmacológicamente puede ser activada por cofactores exógenos, como el azul de metileno, aumentando en cinco veces el nivel normal de actividad. El bajo nivel crónico de metahemoglobina, inducido genéticamente, puede ser tratado con la administración diaria por vía oral de azul de metileno. También la vitamina C puede reducir la cianosis asociada con la metahemoglobinemia crónica, pero no tiene ningún papel en el tratamiento de la metahemoglobinemia aguda adquirida.