从算法到迷你器官：未来动物实验会被取代吗？

据外国媒体报道，1980年，《纽约时报》刊登了动物权利组织的整版广告，批评一家知名化妆品公司在兔子眼睛上测试产品。这场运动非常有效，以至于几家美容公司最终投入数十万美元寻找不涉及动物的替代测试方法。

将近40年后，我们找到了什么替代方案？这些方法取得了多少进展？

在我们深入探讨这些问题的答案之前，我们需要了解一个重要的区别:尽管“动物实验”经常提醒人们化妆品公司在可爱的动物(如兔子)身上进行的残酷实验——以追求美丽为名，在科学研究中应用动物(包括寻找替代手段的研究)已经远远超出了化妆品行业的范围。老鼠等动物广泛用于毒理学研究化学物质及其对人类的影响。动物也是药物发现和测试的关键。在生物医学研究中，动物模型是许多实验的基础，通过这些实验，研究人员研究了从脑回路功能到细胞疾病进展的许多科学问题。

尽管实验动物在这些领域非常重要，但许多人正试图减少它们在实验中的应用。在某种程度上，这是因为不同国家的道德问题推动了新的立法，但另一方面，这也取决于金钱和时间。

“理论上，非动物实验可以更便宜、更快，”美国国家毒理学计划部门间替代毒理学方法评估中心主任沃伦·凯西说。他领导的组织分析了替代化学安全测试动物的各种方法。

实验动物的另一个担忧是，在某些类型的研究中，动物和人类之间的差异太大，无法成功预测某些产品对我们身体的影响。凯西在一次采访中说:“因此，我们涉及道德、效率和人类相关性的问题。”

那么，目前最有希望的选择是什么？

随处可见的数据

一种方法是用算法代替动物。研究人员正在开发计算模型，通过处理大量研究数据来预测某些产品对生物体的影响。

美国罗格斯大学的化学教授朱浩说，这是一种有前途的方法，而且非常便宜。他的研究团队开发了一种高速算法，可以从在线化学数据库中提取大量信息，并通过识别结构相似性，将数千种测试化合物与未经测试的新化合物进行比较。然后，该算法使用测试化合物的已知毒性来对具有相似结构的未测试化合物的毒性进行可靠的预测(假设相同的结构意味着该化合物具有相似的效果)。

一般来说，确定一种新化合物的效果需要几十个昂贵而耗时的动物实验，通过这样的算法预测，我们可以减少所需的动物研究的数量。“如果我们能证明我们想投放市场的化合物是安全的，那么我们可以认为这种研究可以取代目前的动物研究，”朱浩教授说。马里兰州约翰·霍普金斯大学的研究人员进行的一项类似研究表明，在预测各种化合物的毒性方面，该算法甚至优于动物实验。

微型器官

近年来，科学家开始在植入塑料芯片的支架上培养人类细胞，以形成模拟心脏、肝脏、肾脏和肺部功能的微小结构。这些结构被称为“芯片上的器官”，可以用作测试新化合物或药物对人类细胞影响的新方法。

与动物实验相比，测试这些简化和小型化的人类生理模型可以获得更多与人类相关的结果。至关重要的是，在早期研究的探索阶段，当科学家不需要测试整个系统时，这种测试也可以避免使用整个动物。沃伦·凯西(Warren Casey)说，“芯片上的器官”在很大程度上解决了单一输出或终端的问题，因为在这个早期阶段可能需要做的所有工作都是测试某种细胞类型对药物或疾病的反应，从而指导未来的研究。

德国弗龙霍夫材料与梁技术研究所的研究员弗洛里安·施密德说，这种方法可能“有助于减少大多数情况下研究人员在项目中计划进行的动物试验的数量”。除了肺、肝和心脏，一些公司还在开发能够模拟人类皮肤的人造三维结构。这在毒理学中尤其重要。长期以来，动物皮肤试验一直是理解尚未进行毒理学试验的新化合物效果的基础。

凯西说，用这种无害的皮肤组织模型代替动物皮肤试验已经成为现实:“研究证明，皮肤组织模型非常有效。它们可以让我们更深入地了解急性变化，比如某些东西是否会腐蚀和损害皮肤。”

人体研究

有些人经常对动物实验提出这样的观点:如果人类想从新的疗法、药物和研究中受益，那么我们就应该把自己当成实验对象。这是一个非常简单和极端的观点。在大多数国家，法律规定动物实验必须在给人类服用药物之前进行。因此，这种观点不一定符合现实。

然而，有一些精心控制的人体实验形式确实可以减少动物的使用而不危及人类健康。其中一种方法是微量给药。在这种方法中，被人体接受的新药量很少，不会产生广泛的生理效应，但系统中有足够的周期来测量它对单个细胞的影响。

研究人员的想法是，这种谨慎的方法可以帮助在早期阶段消除不可行的药物，而不是在研究中使用成千上万的动物，最终只能证明药物不起作用。这种方法已被证明是安全有效的，许多大型制药公司正在使用微量给药方法来简化药物开发。

凯西说:“当然会有伦理问题，但这些问题很容易被市场上更安全、更有效的药物的潜在好处抵消。”。

现在怎么样了？

那么，这些替代品对动物实验的未来意味着什么？在一些研究领域，例如化妆品测试——许多现有产品已经被动物实验证明是安全的——人们越来越意识到测试新产品对于促进该行业的发展是不必要的。欧盟提出的法规已经证实了这一点。目前，欧盟禁止对欧盟生产和销售的任何化妆品进行动物试验。

我们也看到了毒理学研究的进展。毒理学家长期以来依赖六个核心动物实验来筛选新产品的急性毒性，即产品是否会引起皮肤刺激、眼睛损伤或死亡。然而，凯西说，在未来两年，这些基线测试很可能被美国的非动物实验所取代。凯西说，这一进展的原因是“这些毒性类型的生物学基础比长期接触化学物质后可能出现的其他安全问题(如癌症或生殖毒性)要简单得多”。

然而，在其他研究领域，研究者的关注更加复杂。动物模型仍然是我们能够完全理解化合物、药物或疾病的广泛和长期影响的唯一方法。凯西说:“生理学非常非常复杂。我们仍然没有它。”除了动物模型之外，没有其他方法可以正确地模拟人类生理。

即使是像“芯片上的器官”这样有希望的发展，在展示一个相互联系的人体方面仍有很长的路要走。施密德说:“发展人工器官系统的主要问题是在体外获得生物体的全部复杂性。”。“这个问题的关键是以一种真正可预测的方式模拟人类的动态和动态变化。”

尽管芯片上的器官和其他发明可能有助于回答更简单的问题，但目前，整个动物模型是研究更复杂效应的唯一途径，比如研究大脑回路功能如何与可见行为相联系。这些问题帮助我们了解人类疾病，并最终带来拯救生命的治疗。因此，支持这些发现的动物实验仍然至关重要。

同样值得注意的是，我们今天正在进行的一些最有希望的非动物实验方法，如算法预测，之所以有效，正是因为它们可以借鉴几十年的动物研究成果。为了在未来取得进一步的成果，我们需要继续这些研究。

“我们不能用计算机完全取代动物实验。我们仍然需要一些低级别的动物实验来产生必要的数据，”朱浩说。“如果你要我投票支持一个有前途的方法，我会投票支持计算和实验相结合的方法。”

那么，除了动物实验，我们还有其他选择吗？答案是肯定的和否定的。尽管我们有几种选择，但目前它们还不够成熟，不足以完全取代动物实验。然而，重要的是这些可以减少我们用于研究的动物数量。有了新的规定和更明智的选择，我们至少可以对未来抱有希望，实验动物的数量将继续下降。(任天)