中枢神经系统（Central Nervous System,CNS）作为人体最为重要的组成部分,其功能的紊乱与结构的损伤都会造成较严重的CNS疾病。广义来说,常见的CNS疾病即包括缺血性脑卒中、阿尔兹海默症、帕金森症、癫痫等这类神经退行性疾病,也包括焦虑、抑郁、等精神疾病以及神经发育性疾病、脑肿瘤等。遗憾的是,由于CNS疾病涉及的疾病机制复杂、研究手段有限、临床开展困难等原因,人们对CNS疾病的机制机理研究和药物开发等方面普遍要落后于其他疾病的同类型研究。而正电子发射断层显像（Positron Emission Tomography,PET）作为一种无创、高灵敏、高特异的在体影像技术,是目前最具代表性的现代分子影像技术。凭借着多样的PET示踪剂种类可以根据不同应用场景,从细胞和分子水平反映器官、组织的功能和代谢变化等。因此,PET十分适合用于开展CNS疾病的相关研究工作。目前经过科研者的努力,已有近百种的CNS靶点被设计出了相应的PET示踪剂可供研究应用。但相较于CNS内数千种的潜在靶点,仍有必要继续推进用于中枢神经系统研究的PET示踪剂开发与应用研究。由于放射性、时效性、微量的特点,PET示踪剂的开发和生产离不开自动合成仪。近二十年来,PET示踪剂自动合成仪不断地更新与换代以满足迅速增长的PET示踪剂种类和生产需求,以及适应快速发展的放射性核素标记方法。本论文中自行研发、制造了 PET示踪剂自动合成仪,围绕如何对CNS疾病进行诊断,利用自研的设备进行了多种新型PET示踪剂的开发和应用工作。第一部分工作是以帕金森病治疗药物沙芬酰胺为先导化合物开发出了新型示踪剂[18F]safinamide,由于沙芬酰胺对缺血性脑卒中、阿尔兹海默症、癫痫等神经退行性疾病也有治疗效果,因此[18F]safinamide有潜力应用于多种神经退行性疾病的诊断。实验方面,在细胞和动物实验中验证了该探针对单胺氧化酶B等靶点结合的高亲和力,开展了[18F]safinamide在缺血性脑卒中模型鼠的成像研究,但在研究中发现,[18F]safinamide作为多靶点结合的PET示踪剂,其图像分析复杂,难以进行动力学模型构建。第二部分工作则是使用大麻素1型受体（Cannabinoid Receptors Type 1,CB1R）的高亲和力示踪剂[18F]MK-9470开展了抑郁/焦虑障碍的临床PET诊断研究,以求改变目前抑郁/焦虑机制机理研究困难、诊断缺乏生物学评价标准的现状。结果表明抑郁/焦虑障碍患者与正常受试者的CB1R表达差异可被PET检测到。之后针对[18F]MK-9470入脑效率和大麻素受体选择性的不足开发了靶向CB1R的新型PET示踪剂[18F]FEO-CPOM,展开了 一系列的生物学评价,并在抑郁模型鼠的PET成像研究中取得了与[18F]MK-9470临床研究相似的结论。第三部分工作是为了实现对神经炎症这一普遍的CNS疾病的可视化,选择了近些年才被认识到CNS应用价值点的大麻素2型受体（Cannabinoid receptor type 2,CB2R）作为研究靶点,选择三芳基磺酰胺的衍生物作为先导化合物开发了新型PET示踪剂[18F]FEO-TaS,并通过细胞、离体实验证明了其与CB2R结合的高亲和力和高选择性。通过[18F]FEO-TaS在正常鼠和脂多糖诱导的急性神经炎症鼠的PET研究,发现[18F]FEO-TaS在神经炎症模型鼠中的摄取增高,但极低的脑摄取率严重限制了[18F]FEO-TaS的进一步研究。本论文第四部分内容是为引入CNS的外源性物质进行成像,使用为解决单一成像模态在CNS疾病诊断中的不足,开发了 PET/磁共振/荧光三模态成像功能的分子影像探针,进行的一系列生物学评价和细胞层面的成像功能验证,期望借助间充质干细胞对CNS疾病实现靶向性诊断。