肺癌(Lung cancer)是全球累积死亡率较高的肿瘤之一,每年近120万人死于这一疾病,死亡人数超过乳腺癌、结肠癌和前列腺癌三者总和。调查数据显示非小细胞肺癌(Non-small cell lung cancer, NSCLC)占所有肺癌比例的85%以上。由于肺癌确诊后只有少数患者具备手术切除条件,因此,基于放疗、化疗和靶向治疗等多种手段的综合治疗在肺癌治疗中占有极其重要地位。所以寻找一种简捷、有效的指导上述各种治疗技术合理利用的方法成为研究的前沿和热点。随着功能分子影像的发展,为这一筛选提供了可能。以正电子发射断层扫描/计算机断层扫描(Positron emission tomography/computer tomography, PET/CT)为代表的功能分子影像(Molecular imaging)是在活体从分子水平研究细胞功能代谢以达到对疾病特异性诊断、疗效观察、或进行新药研制筛选的全新领域,是分子生物学、生物化学、数据图象处理等多学科融合的结果。该影像利用分子探针无创性与胞内特定靶分子结合,体外使用PET/CT、进行探测成像,具有高特异性、高灵敏度和高图像分辨率,能够为临床提供定位、定性和定量资料。PET/CT是CT图像的高分辨率和PET图像的高灵敏度有机结合产物,是目前得到最广泛应用的功能分子影像手段,在肿瘤诊断、治疗监测和判断预后等方面具有重要作用。第一部分非小细胞肺癌表皮生长因子受体分子影像指导靶向治疗的研究表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)是原癌基因c-erbB的表达产物,属受体型酪氨酸蛋白激酶(tyrosine kinase, TK)。EGFR与配体结合后活化胞内区TK,激活多条信号通路,参与肿瘤细胞增殖、凋亡抑制、侵袭、转移及治疗抗拒等过程。EGFR高表达或突变与肿瘤密切相关,现已成为肿瘤诊断和治疗的有效靶分子。酪氨酸激酶抑制剂(tyrosine kinase inhibitor, TKI)能够与细胞内酪氨酸激酶结构域上ATP位点竞争性结合,可逆性、选择性抑制EGFR相关的酪氨酸激酶活性及细胞内磷酸化过程,进而抑制EGFR下游的信号转导。EGFR-TKI因其较好的安全性和耐受性,更高的生活质量和无进展生存期,在晚期非小细胞肺癌(non-smallcell lung cancer, NSCLC)的治疗中占有越来越重要的地位。虽然近年来EGFR靶向治疗得到了快速发展,但也面临着许多如下问题：如何了解在体肿瘤细胞的EGFR蛋白表达或基因突变情况；如何在治疗前对病人进行有效的筛选；如何对靶向治疗效果进行动态监测；放疗与靶向如何结合等等。因此,寻找一种简捷、有效的判断肿瘤EGFR状态的方法成为当务之急。常规检测肿瘤组织EGFR的方法包括EGFR基因拷贝数检测、EGFR蛋白表达水平检测及EGFR基因突变检测等三个方面。上述检查手段都需获得肿瘤组织或病人血液样本,为有创性的检查,对难以获得有效肿瘤标本的患者无法完成检测工作。这些检测方法结果可信度低,单一研究方法不能全面评价肿瘤组织内EGFR的水平及其活性状态,给进一步的临床应用带来相当的难度。目前尚缺乏对在体肿瘤组织EGFR水平进行评估的理想方法。因此需要开发全新的、能无创性准确识别在体肿瘤细胞EGFR表达或活性的检测方法来指导非小细胞肺癌的EGFR靶向治疗。现今功能分子影像学已成为一门独立的学科,在肿瘤分子影像中,最重要的研究领域之一是受体显像。受体显像是利用放射性核素标记的某些配体与胞内特定靶分子结合,体外使用PET/CT等设备进行探测成像,显示受体的功能与分布。随着分子靶向治疗的深入,多种TK抑制剂被合成,与此同时以TK为前体标记核素作为肿瘤EGFR示踪剂的研究逐渐增加。近年来核素标记喹唑啉类作为显像剂的研究已成为EGFR分子影像研究的热点。多种喹唑啉衍生物(包括ML01、ML02、ML03、ML04、ML05、ML06、ML07、ML08等)被标记上正电子或单光子同位素(11C、18F、1241、99mTc等)进行了显像研究,但多因体内快速代谢、生物利用度低、特异性差而被认为属非理想EGFR显像剂。4-3-溴苯氨基-6,7双甲基喹唑啉(PD153035)是ATP竞争性TKI,与TK具有高选择性和亲和力。Fredriksson在PD153035的6-或7-位C上进行了11C标记,最早研究了11C-PD1503035作为PET示踪剂的可能性。Erik等研究了不同位点11C标记对11C-PD153035动物体内代谢的影响,结果提示7-位C上行11C标记可形成更多极性产物,更适合人体内应用。本课题组在TRACETlab FXc系统中成功合成了11C-PD153035。首先研究了兔及荷瘤裸鼠体内显像剂分布,发现11C-PD153035注射后快速血浆清除,放射活性迅速分布于肝、胆囊、肾、膀胱及消化道,11C-PD153035的摄取与肿瘤细胞EGFR表达水平相关。我们进一步构建了大鼠C6胶质瘤动物模型,证实了11C-PD153035可用于动物PET/CT显像,获得图像可利用感兴趣区技术(ROI)进行半定量分析。然后课题组进行了正常人体显像研究,证实PD153035经静脉注射后在体内被快速清除,主要由肝、肾排泄,适合NSCLC患者原发灶及纵膈转移淋巴结EGFR的分子显像,提示11C-PD153035可用于NSCLC肿瘤组织EGFR表达水平的无创性检测,为进一步行EGFR靶向药物疗效预测及治疗前病人筛选创造了前提条件。研究目的1.判断11C-PD153035PET/CT能否指导筛选NSCLC EGFR靶向治疗的适合人群2.判断11C-PD153035PET/CT能否指导预测NSCLC EGFR靶向治疗疗效和预后研究方法1.人体用11C-PD153035的合成应用GE公司的Mini TRACE Lab FXc系统合成11C-PD153035。2. NSCLC患者EGFR分子影像的建立招募拟行EGFR靶向治疗的NSCLC患者,分别于治疗前、治疗1-2周、治疗6周时行11C-PD153035PET/CT显像。3. NSCLC患者的11C-PD153035PET/CT显像采用静态显像法对拟行EGFR靶向治疗的NSCLC患者行11C-PD153035PET/CT显像,利用感兴趣区技术(ROI)分析肿瘤病灶的放射性活度,分析计算肿瘤区域的最大标准摄取值(SUVmax)。4. NSCLC患者EGFR靶向治疗的疗效评价拟行EGFR靶向治疗的NSCLC患者,分别于治疗前和治疗6周行CT检查,分析计算肿瘤病灶的大小。根据实体瘤的疗效评价标准(Response Evaluation Criteria in Solid Tumors, RESICT),判断患者靶向治疗的疗效。5. NSCLC患者EGFR靶向治疗的定期随访拟行EGFR靶向治疗的NSCLC患者,分别于治疗开始、治疗6周、治疗3个月、治疗6个月、治疗12个月等时间点对病人进行随诊,直至病人死亡。6.收集数据的统计学处理采用SAS version9.2统计学软件,对采集的数据进行相关统计学分析。研究结果1.截止至数据分析时,21例患者中18例已经死亡,中位随访时间为7.5个月结果显示中位OS和PFS分别为62%和14%。2.根据Cox回归分析结果,治疗前基线"C-PD153035PET/CT SUVmax与OS和PFS高度相关。SUVmax每增加1个单位,死亡风险度下降60%(HR=0.40,95%CI=0.22-0.70,P=0.002),疾病进展风险度下降96%(HR=0.044,95%CI=0.01-0.02,P<0.001)。3.治疗1-2周时11C-PD153035PET/CT SUVmax亦与OS和PFS高度相关。SUVmax每增加1个单位,死亡风险度下降64%(HR-0.36,95%CI=0.17-0.75,P=0.007),疾病进展风险度下降71%(HR=0.29,95%CI=0.14-0.60,P=0.001)。值得注意的是,治疗1-2周SUVmax与基线SUVmax高度相关(r=0.87,95%CI=0.65-0.95)。4.治疗6周时11C-PD153035PET/CT SUVmax与基线SUVmax无关(r=0.47,95%CI=0.05-0.78),亦与OS(HR=0.66,P=0.25)和PFS(HR=0.055,P=0.066)无相关性。5.以基线SUVmax的中位值2.92为最佳界值点,基线SUVmax等于或高于2.92的患者其中位OS较低于该值得患者更长(11.4vs4.6个月),并且6个月的OS更高(91%1vs30%)。同样,高SUVmax组的中位PFS和6个月的PFS均高于低SUVmax组的患者(4.41vs1.8个月,27%vs0%)。研究结论1.本前瞻性研究首次证明11C-PD153035PET/CT扫描能够预测EGFR-TKI用于晚期化疗难治性NSCLC患者的疗效2.基线和早期随访扫描的结果与疗效具高度相关性,后期随访扫描结果未提供更多的预后信息,提示11C-PD153035PET/CT影像学的疗效预测窗口期为治疗前及治疗开始时的1至2周3.患者OS和PFS与11C-PD153035基线SUVmax高度相关4.11C-PD153035PET/CT作为影像学标志物相比组织标志物具有非侵入性的优势,且不受组织标本不足的限制第二部分非小细胞肺癌功能影像指导临床靶区勾画的研究放射治疗是中晚期NSCLC患者的主要治疗手段之一。对于不能耐受手术的早期NSCLC患者,放射治疗也是主要的有效手段。NSCLC患者局部放疗失败的主要原因是靶区设置不合理,照射野太小会直接导致放疗脱靶；照射野太大,则一方面加重了正常组织的放射损伤,另一方面又限制了靶区剂量的追加。目前临床应用的三维适形、调强等精确照射技术使放疗剂量的提高成为可能,但该放疗技术对靶区的高度适形和靶区边缘剂量锐减,这就要求靶区的确定要有更高的精度。根据国际辐射单位与测量委员会(ICRU)1993年的规定,靶区可以分为大体肿瘤区(gross tumor volume, GTV)、临床靶区(clinical target volume, CTV)和计划靶区(planning target volume, PTV)。GTV是临床和影像学检查所确定的肿瘤范围,包括原发灶和局部转移的淋巴结。CTV包括GTV加上亚临床病灶。PTV是CTV加器官运动的范围以及摆位误差。考虑到体内器官的运动范围和重复摆位的不确定性,PTV与CTV的比值越小越好,最理想的比值是1。在放射治疗中要考虑到准确地确定CTV, CTV太小会造成肿瘤边缘剂量不足或靶区漏照,CTV太大会造成周围正常组织受量过高。能否精确CTV的范围是放射计划成功的关键之一。根据ICRU第50号报告规定,CTV是在GTV的基础上外放一定区域(CTV扩充区)。这个区域应该包括GTV和周围的亚临床病灶范围(microscopic extension, ME),原发肿瘤局部侵袭的ME可以对GTV到CTV外放边界的确定提供科学、准确的参考数据。然而该范围在临床和常规影像水平无法准确确定,并且受检查方法、肿瘤的生物特性、解剖关系等因素影像。对于NSCLC原发肿瘤的ME只能通过患者术后病理切片的回顾性分析得知,目前缺乏直接检测在体肿瘤个体化ME的无创性技术。功能影像的出现为这一问题的解决提供了可能。现今功能分子影像学已成为一门独立的学科,其中18F-FDG PET/CT可以诊断肿瘤及判断良恶性,已成为目前最为成熟的功能影像技术。通过18F-FDG PET/CT测量获得肿瘤的SUVmax和代谢体积(metabolic tumor volume, MTV)能够半定量反映肿瘤组织的糖代谢情况,从而可以评价肿瘤细胞的活性状态和侵袭能力。有研究报道肺癌肿瘤细胞的侵袭状态与原发肿瘤边缘外ME明显相关。由此为18F-FDG PET/CT评价在体肿瘤ME创造了前提条件,从而为进一步指导NSCLC患者个体化放疗CTV的勾画奠定了基础。研究目的1.明确NSCLC患者原发肿瘤ME与18F-FDG PET/CT肿瘤SUVmax的相关性2.明确NSCLC患者原发肿瘤ME与18F-FDG PET/CT肿瘤MTV的相关性研究方法1.人体用18F-FDG的合成应用GE公司的Mini TRACE Lab FXc系统合成18F-FDG。2. NSCLC患者18F-FDG功能影像的建立招募拟行手术的NSCLC患者,手术前行18F-FDG PET/CT显像。3. NSCLC患者的18F-FDG PET/CT显像采用静态显像法对拟行手术的NSCLC患者行18F-FDG PET/CT显像,利用感兴趣区技术(ROI)分析肿瘤病灶的放射性活度,分别分析计算肿瘤区域的SUVmax和MTV。4. NSCLC患者原发肿瘤ME的计算利用完整的肿瘤组织,制作病理大切片,明确肿瘤的GTV边界,显微镜下确定各径向的GTV外肿瘤侵袭范围,并记录最大ME。5.收集数据的统计学处理采用SPSS13.0统计学软件,对采集的数据进行相关统计学分析。研究结果1. NSCLC原发肿瘤ME与SUVmax的相关性ME与SUVmax相关有统计学意义(r=0.777)。对于SUVmax≤5、5-10和>10的NSCLC患者,建议其放疗CTV的外放边界分别为1.93mm、3.90mm和9.60mm。2. NSCLC原发肿瘤ME与MTV的相关性ME与MTV相关有统计学意义(1=0.724)。对于MTV≤10cm3、10-70cm3和>70cm3的NSCLC患者,建议其放疗CTV的外放边界分别为1.92mm、3.80mm和10.90mm。研究结论18F-FDG PET/CT可以为NSCLC患者放疗CTV的确定提供在体的、无创的、前瞻性的信息,从而为进一步实现个体化CTV的勾画提供了前提。