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恶性肿瘤是严重危害人类健康的难治性疾病之一。抗肿瘤治疗疗效与肿瘤和肿瘤所处的微环境密切相关。而当前临床常用的肿瘤疗效预测指标（例如:程序性死亡配体1和肿瘤突变负荷）都是检测肿瘤细胞本身的分子特征,且需要穿刺点取样获取检测标本,存在有创伤、以点代面、取样误差和重复性差等问题,忽略了针对肿瘤微环境的特异性检测。只有对肿瘤细胞分子特征和肿瘤微环境特征的全面分析才有可能较全面解析肿瘤治疗的作用并做出个体化预测。因此,寻找靶向肿瘤微环境的敏感生物标志物和有效的检测手段是目前亟需解决的科学问题。成纤维细胞激活蛋白（Fibroblast activation protein,FAP）通过直接促进间质成纤维细胞和其他类型细胞（包括肿瘤细胞、内皮细胞和免疫细胞）的增殖、迁移和侵袭,从而导致侵袭性、肿瘤新生血管生成和逃避免疫监视,是一个非常具有潜力的反映肿瘤微环境特征、肿瘤治疗靶点和预测疗效的生物标记物。核素标记的成纤维细胞激活蛋白抑制剂（Fibroblast activation protein inhibitor,FAPI）正电子发射计算机断层显像（Positron emission tomography,PET）/计算机断层扫描（Computer Tomography,CT）显像可实现肿瘤微环境中FAP的立体、无创、动态分子显像,是评价肿瘤微环境FAP阳性基质细胞个体化特征的理想方法。国内外关于18F标记FAPI的研究较少。18F半衰期长（110min）、正电子能量较68Ga核素有更高的空间分辨率,是一种非常理想的标记显像剂的核素。本论文的结构包括18F-标记的FAPI小分子显像剂的“构建——验证——应用”这三部分。第一部分,构建Al[18F]标记的靶向FAP的小分子PET显像剂,并完成质控工作,以细胞、动物实验验证其显像的可行性,并申请发明专利;第二部分,以动物和肿瘤患者为研究对象,通过影像-组织标本-分子病理精确对照,验证[18F]AlF-NOTA-FAPI-04显像的准确性和安全性;第三部分,以肿瘤患者和放射性心脏损伤动物模型为研究对象,分析[18F]AlF-NOTA-FAPI-04对肿瘤的诊断价值,探索其对不同肺癌病理类型的鉴别能力,并探索其对放射性心脏损伤的检测价值。第一部分:构建研究研究方法:向具有精确控制反应进程作用的微反应装置中加入NOTA-FAPI前体、乙酸盐缓冲溶液、无水乙腈、AlCl3乙酸盐缓冲液以及18F氟离子液,密封反应;通过传感器准确检测颜色变化,及时将反应液连续通入冷却模块冷却,用去离子水稀释反应体系;稀释得到的反应液通入纯化模块,用C18柱分离纯化,然后用50-80%乙醇淋洗,0.22 μ m滤膜过滤得性能稳定的目标化合物[18F]AlF-NOTA-FAPI-04。构建U87MG荷瘤小鼠,评估[18F]AlF-NOTA-FAPI-04在小鼠不同组织器官中的生物分布情况,并行小动物PET/CT显像,验证其活体显像的可行性。研究结果:最终产品的放化纯通过高效液相色谱仪（High Pressure Liquid Chromatography,HPLC）测得,保留时间在 6.3min,[18F]AlF-NOTA-FAPI-04放化纯度超过99.5%,比活度约为20GBq/μ mol。用小动物PET/CT显像评价[18F]AlF-NOTA-FAPI-04在U87MG移植瘤模型小鼠体内的分布。观察到放射性示踪剂在肿瘤中快速摄取并通过肾脏和膀胱快速清除,在大多数正常器官中的摄取值极低,包括脑、心、血、骨、肝、脾、肺、胃、小肠、大肠和肌肉。在注射60min后的显像中,[18F]AlF-NOTA-FAPI-04在移植瘤中的摄取水平达最高（15.48 ±1.82%ID/g）,示踪剂在肿瘤组织中的高摄取持续时间长达2小时,示踪剂在胆囊中的摄取值显著高于其他正常组织,其次是肾脏和小肠也显示有相对高水平的示踪剂摄取。阻断实验发现,阻断后肿瘤的摄取值显著低于未阻断的摄取值,这表明[18F]AlF-NOTA-FAPI-04与FAP可特异性结合。研究结论:采用Al[18F]标记策略,合成的[18F]AlF-NOTA-FAPI-04工艺简单,效率高;将FAPI和药用辅料定量试剂盒化,进一步提高了制备效率;制备的[18F]AlF-NOTA-FAPI-04具有99%以上放射化学纯度,同时实现即开即用的目标,利于临床转化。第二部分:验证研究研究方法:共定位实验验证FAPI-04与FAP在U87MG细胞膜上结合位置的一致性。构建[18F]AlF-NOTA-FAPI-04和既往文献中报道的[68Ga]Ga-DOTA-FAPI-04示踪剂,通过小动物PET/CT活体成像、动态扫描、阻断实验、放射自显影和多色免疫荧光实验分析[18F]AlF-NOTA-FAPI-04对荷瘤小鼠显像的准确性及安全性。前瞻性入组不同类型的肿瘤患者,一方面评估[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT在患者中显像的准确性及安全性,一方面获取患者的手术或活检组织样本,经免疫组化染色FAP-α,分析[18F]AlF-NOTA-FAPI-04摄取值与FAP-α表达水平的相关性。研究结果:体外和体内实验均显示FAPI-04与FAP特异性结合。在异种移植荷瘤小鼠模型和肿瘤患者中,观察到放射性示踪剂在肿瘤内高摄取和体内快速清除。在28例8种不同类型的肿瘤患者的[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT上观察到高对比度图像和对正常组织的可忽略的辐射照射。其中有5例患者在静脉注射[18F]AlF-NOTA-FAPI-04后1小时、2小时和4小时进行了 PET/CT扫描,分析示踪剂在原发灶、淋巴结、肝脏和骨转移灶中均有较高的摄取,最大标准摄取值（maximum standard uptake value,SUVmax）为 19.37（范围 3.4～19.37）。通过PET/CT成像进一步研究了[18F]AlF-NOTA-FAPI-04在患者正常器官中的分布,示踪剂从血液中迅速清除,并主要通过肾脏和膀胱排泄。其他正常器官（血液、肝脏、肌肉、胰腺和脾）对放射性示踪剂的摄取较低,而肿瘤则表现为高摄取,从而产生高对比度的PET 图像。[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 摄取与 FAP-α 在活检+手术标本（r=0.439,P=0.012）和单纯手术标本（r=0.938,P=0.005）中的表达均呈正相关。研究结论:[18F]AlF-NOTA-FAPI-04作为FAP显像剂具有很高的特异性,可用于肿瘤的高对比度快速成像。在[18F]AlF-NOTA-FAPI-04PET/CT显像后,没有任何患者报告有不适症状,患者对该放射性示踪剂的耐受性良好。第三部分:应用研究前瞻性地入组经组织病理学证实的原发性肺癌患者,分别于治疗前1周内完成[18F]AlF-NOTA-FAPI-04和[18F]FDG PET/CT静态扫描,评估不同示踪剂对纵隔转移淋巴结和远处转移灶的诊断准确性,探索[18F]AlF-NOTA-FAPI-04对肿瘤的诊断价值。结果显示:前瞻性入组的双示踪显像患者,一共评估了 45个转移灶以及26组纵隔转移淋巴结。结果发现,[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT 和[18F]FDG PET/CT 分别检出 44 个和37个转移灶。总体而言,80.0%的转移灶可同时被[18F]AlF-NOTA-FAPI-04和[18F]FDG发现,17.8%仅通过[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT,2.2%仅通过[18F]FDG PET/CT。其中,一共有3组炎症性淋巴结在[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET上未显像,而在[18F]FDG PET上可见;有5组转移性淋巴结在[18F]AlF-NOTA-FAPI-04PET上可显像,但在[18F]FDG PET上未见。相应地,[18F]AlF-NOTA-FAPI-04和[18F]FDG对胸部转移淋巴结的诊断准确率分别为100%和69.23%（P=0.002）。结论:[18F]AlF-NOTA-FAPI-04在识别晚期肺癌患者的转移淋巴结和转移灶方面优于[18F]FDG,它的使用可能有助于肿瘤分期。前瞻性地入组61例经组织病理学证实的原发性肺癌患者,分别于治疗前行[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT 静态扫描,评估[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 的摄取水平,并探索不同病理类型、原发灶和转移灶中FAP的表达特征并经病理验证,分析对不同肺癌病理类型的鉴别能力。结果显示:61例肺癌患者,包括腺癌（ADC,n=30）、鳞癌（SCC,n=17）和小细胞肺癌（SCLC,n=14）,共评估61个原发灶,199个转移灶。结果发现ADC、SCC和SCLC原发灶对[18F]AlF-NOTA-FAPI-04的摄取无显著差异（P=0.198）,且同一病理类型的原发灶与转移灶的摄取差异也无统计学差异（P＞0.05）。但不同病理类型的转移瘤摄取差异有显著统计学差异（P＜0.001）。转移淋巴结的SUVmax在SCC中最高,其次是ADC和SCLC（P＜0.001）。骨转移的SUVmax也以SCC最高,其次为ADC和SCLC（P＜0.05）,但ADC和SCLC之间差异无统计学差异（P＞0.05）。其他器官转移灶的SUVmax在SCC组高于ADC组,但在SCC组与SCLC组、ADC组与SCLC组之间差异无统计学意义。在SCC和ADC中,骨转移的摄取率明显高于淋巴结和其他器官（P＜0.05）,而在SCLC中则不是如此。结论:[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT显像显示FAP在肺癌转移灶中的表达存在差异,尤其是在骨转移灶中的表达水平最高,因此,认为其具备对肺癌不同病理类型的鉴别价值。回顾性分析接受同步放化疗治疗的13例食管鳞癌患者（Esophageal Squamous Cell Carcinoma,ESCC）在放疗前和放疗中（36～50Gy）时心肌的[18F]AlF-NOTA-FAPI-04摄取情况。并通过构建放射性心脏损伤大鼠模型来验证[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT对放射性心脏损伤的诊断价值。采用雌性Wistar大鼠给予心尖局部单次大剂量照射50Gy。放射性心脏损伤大鼠每周行[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT扫描,直到第12周,并在第3周、5周和8周后行MRI检查测定左心室射血分数。在放射治疗第5周时,对放射性心脏损伤大鼠进行动态PET扫描实验、放射自显影实验、阻断实验和[18F]FDG PET/CT检查,并进行HE、Masson和IHC组织染色等病理学验证。探索[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT对放射性心脏损伤的检测价值。结果显示:分析发现接受同步放化疗的食管鳞癌患者,在放疗中期接受照射的心肌对[18F]AlF-NOTA-FAPI-04摄取较未放疗前有升高趋势,4.01（2.17～4.86）vs 1.87（1.30～2.67）,P=0.109。[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 在放射性心脏损伤的大鼠模型心肌中的摄取在2周时显著高于未接受放疗的心肌（0.77±0.04%ID/mL vs 0.62±0.03%ID/mL,P＜0.01）。在放疗后第 5 周时心肌对[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 的摄取达最高水平,在受累心肌摄取明显高于远端未接受放疗心肌（1.38±0.15%ID/mL vs 0.44±0.03%ID/mL,P＜0.01）,同时发现损伤心肌中未见明显的[18F]FDG摄取,并经放射自显影、Masson染色和IHC染色证实。放疗组和对照组大鼠第3周MRI测定的左心室射血分数无显著差异（71.2±1.29%vs 72.3±2.47%,P＞0.05）,直到第8周时放疗组的左室射血分数低于对照组（56.4±2.72%vs 65.0±3.14%,P＜0.05）。结论:ESCC患者心肌摄取[18F]AlF-NOTA-FAPI-04在放疗中较放疗前有增加趋势,且与心脏高剂量照射区域一致。经动物实验验证[18F]AlF-NOTA-FAPI-04 PET/CT可无创检测放射性心脏损伤,且早于左心室射血分数下降开始的时间,本研究提示[18F]AlF-NOTA-FAPI-04可作为放射性心脏损伤诊断的PET显像剂。