當伊茨·莫拉萊斯·潘託哈開始攻讀細胞與分子醫學博士學位時，她選擇了一個使用幹細胞——而不僅僅是動物——進行研究的實驗室。莫拉萊斯·潘託哈剛剛花了兩年時間研究小鼠模型中的多發性硬化症。作為一名本科生，她負責給動物注射痛苦的針劑以誘發疾病，然後觀察它們喪失運動能力。她盡力溫柔地對待小鼠，但她知道它們很痛苦。“當我靠近它們時，它們就會開始小便——這是壓力的跡象，”她說。“它們知道接下來會發生什麼。”
儘管小鼠實驗在情感上“非常非常困難”，但莫拉萊斯·潘託哈仍然致力於她的研究，因為她渴望幫助患有多發性硬化症的姐姐。然而，在專案結束後三年，莫拉萊斯·潘託哈沮喪地發現，她的研究結果對像她姐姐這樣的人沒有任何直接幫助。她在小鼠身上測試的一種抗氧化劑似乎很有希望，但在人體樣本中卻無效。
這令人失望，但並不意外。大約 90% 在動物模型中有效的創新藥物在人體臨床試驗中失敗——這種高流失率導致每種上市新藥的平均價格高達 23 億美元。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續報道關於塑造我們今天世界的發現和思想的具有影響力的故事。
今天，莫拉萊斯·潘託哈是約翰·霍普金斯大學動物實驗替代方案中心的一名博士後研究員，她正在幫助開發實驗室培養的人腦模型。其目標是推進對神經退行性疾病的科學理解，同時推動該領域超越一些研究人員認為的對動物模型的過時依賴。
全球每年有數百萬只齧齒動物、狗、猴子、兔子、鳥類、貓、魚類和其他動物用於研究目的。確切的數字很難獲得，但倡導組織“國際零殘忍組織”估計，2015 年使用了 1.92 億隻動物。這項工作大多發生在四個廣泛的領域：化妝品和個人護理產品、化學毒性測試、藥物開發和藥物發現研究。
基於動物的研究為重要的發現和拯救生命的醫學進步做出了貢獻。例如，新冠疫苗是在包括小鼠和非人靈長類動物在內的動物身上開發的。動物模型對於推進艾滋病藥物以及開發治療白血病和其他癌症的方法也至關重要，用途廣泛。
但動物研究往往無法產生有用的結果。它們可能會淘汰可能有效的藥物，或者遺漏人體中的毒性。它們未能為某些醫學領域帶來突破，包括神經系統疾病。2014 年的一項研究估計，在動物模型中開發的阿爾茨海默病候選療法在臨床試驗中的失敗率約為 99.6%。約翰·霍普金斯大學彭博公共衛生學院的環境健康科學家和律師保羅·洛克說：“隨著關於人體生物學和變異性的問題變得更加複雜，我們正在觸及動物模型的侷限性。“你在動物身上遇到的問題——而且沒有辦法繞過這個問題——是動物生物學與人體生物學差異太大。”其他物種不再提供關於人體生物學的見解——包括細胞和亞細胞水平的見解——而這些是當今科學家實現創新所需的。
全球越來越多的跨學科研究人員正在研究動物模型的替代方案。有些人是出於對動物福利的擔憂，但對許多人來說，拯救數百萬生物的生命只是額外的獎勵。他們主要致力於創造技術和方法，這些技術和方法將比動物更好地近似人體生物學和變異性。
在過去的十年左右，數十個實驗室、初創公司和非營利組織一直在追求替代方法，從預測化學毒性的機器學習工具到可以組合起來複制人體器官系統的活體“晶片器官”。他們的努力現在已經成熟到一些實驗室正在完全淘汰動物實驗的程度。研究開始表明，這些新方法通常比動物提供更準確的答案。
立法也開始反映這些進展。2021 年，歐洲議會通過了一項逐步淘汰研究中動物實驗的決議。澳大利亞國家科學機構已開始認真探索用於醫療產品開發的非動物模型。2022 年，喬·拜登總統簽署了一項法案，廢除了美國食品和藥物管理局長期以來要求將動物實驗作為每項新藥申請一部分的規定。2023 年 5 月，馬里蘭州通過了一項開創先河的法律，規定動物實驗實驗室必須向一個基金捐款，該基金將用於資助其他開發與人類相關替代方案的實驗室。2024 年提出的一項聯邦法案將為 FDA 開始大規模接受來自新方法的資料鋪平道路。
美國國立衛生研究院的一個小組主任達尼洛·塔格萊說，立法、工業和科學領域的這些進展的融合將帶來“生物醫學研究方式的巨大變革”，該小組正在領導一項全機構範圍的行動，以投資於動物模型的替代方案。今年，美國國立衛生研究院啟動了一項 3 億美元的基金，專門支援用於藥物篩選、疾病建模等的非動物替代方案的開發、驗證和測試。這項資源將高於美國國立衛生研究院 400 億美元研究預算中已用於替代方法的 8%，這一比例在過去 15 年中一直在上升。正如塔格萊所說，“我們看到立法、工業和科學發展正在融合。”
1937年，當 12 名患者因感染前來密西西比州科文頓縣的醫生阿奇博爾德“阿奇”卡爾霍恩處就診時，這位醫生做了他經常做的事情：他給他們開了磺胺藥的處方，這是一種他已經使用了多年的抗生素。幾天之內，六名患者死亡。生產磺胺藥的製藥公司在覆盆子口味的配方中添加了一種新成分：二甘醇，一種防凍劑，結果證明是致命的。“這種認識給我帶來了如此多的日日夜夜的精神和靈魂上的痛苦，以至於我不相信一個人能夠承受並活下來，”卡爾霍恩事後寫道。
約翰·霍普金斯大學的保羅·洛克和其他人表示，動物實驗是否會在大多數研究中被逐步淘汰不是問題，而是時間問題。
“磺胺災難”事件導致 100 多人喪生，其中許多是兒童。國會對此做出回應，頒佈了《聯邦食品、藥品和化妝品法案》，這是一套旨在確保任何公司都不會再次在不知情的情況下銷售有毒藥物的法律。除其他事項外，該法案要求在開發中的新藥在用於人體之前必須在動物身上進行測試。“動物模型的早期成功之處在於將這些可怕的產品拒之門外，”洛克說。
今天，動物模型仍然被認為是製藥和藥物發現研究的標準，部分原因是科學界的許多人仍然從中獲得價值，部分原因是它們是現狀。然而，美國動物實驗的全部範圍尚不清楚。聯邦法律不要求研究人員公開為研究目的繁殖的大鼠、小鼠和鳥類的數量——這三個物種佔實驗物件的 95% 以上。同樣，根據塔格萊的說法，沒有全面的分析統計美國政府資助的使用動物模型的研究數量。
善待動物組織（PETA）估計，美國國立衛生研究院近一半的研究經費用於基於動物的研究。政府和學術界以外的組織也使用動物進行研究。美國人道協會估計，僅在美國，每年就有超過 5000 萬隻動物用於研究目的。
洛克和其他人表示，動物實驗是否會在大多數研究中被逐步淘汰不是問題，而是時間問題。美國實驗生物學學會聯合會（一個代表 22 個科學學會和超過 11 萬名全球研究人員的非營利組織）的科學政策副主任內奧米·查拉蘭巴基斯說：“每個人都認識到，最終目標是嘗試取代動物實驗。”但動物不會很快從研究中消失。“我們仍然處於起步階段，”查拉蘭巴基斯說。
機構間替代方法驗證協調委員會 (ICCVAM) 在美國國家環境健康科學研究所的主持下運作，該委員會由 18 個研究和監管機構組成，共同致力於推廣以人體生物學為基礎並減少和取代動物實驗的新的科學有效方法。ICCVAM 的計算毒理學家和執行主任妮可·克萊因斯特魯爾表示，該團隊優先考慮“最終將轉化為監管和實施的科學專案”。
但這發生的速度會有所不同。洛克懷疑，探索生物系統基本機制的發現研究可能需要最長的時間，因為它是科學家使用動物進行探索的最複雜領域。對於這項研究，動物提供了作為具有完整器官系統的活體生物的優勢，這些器官系統以協調的方式相互作用——這是體外方法目前無法做到的。
化妝品和個人護理產品行業在逐步淘汰動物實驗方面走得最遠，這主要是因為消費者需求。超過 2500 家北美化妝品、個人護理和家居產品公司已獲得無動物實驗認證。美國有 12 個州和 45 個國家/地區禁止動物實驗化妝品，2023 年 9 月在眾議院重新提出的立法可能會將整個美國也納入該名單。
逐步淘汰某些型別的毒性測試（旨在確定某種物質造成危害的潛力）可能緊隨其後。大量研究表明，在許多情況下，使用預先存在的資料訓練的人工智慧演算法在預測各種化學品的毒性方面與動物一樣可靠，甚至更可靠。2016 年，巴拉克·奧巴馬總統簽署了《有毒物質控制法案》的修正案，指示環境保護署開始減少在毒性測試中使用脊椎動物，並在科學可行的情況下用替代方法取而代之。
環保署在實現這一目標方面取得了一些進展。例如，2018 年，該機構批准了 62 項豁免請求，減少了某些毒性測試中的動物數量，在第一年就減少了約 16500 只動物，並節省了約 890 萬美元。2024 年，環保署釋出了一個新的框架，用於透過替代測試方法評估眼睛刺激或腐蝕。
一些環保組織反對完全過渡到無動物實驗。正如俄勒岡州立大學的生態毒理學家蘇珊娜·布蘭德去年在環境保衛基金會發表的著作中總結的那樣，“迫在眉睫的擔憂”是，新方法可能會遺漏動物模型能夠捕捉到的負面影響，“可能導致有毒化學物質出現在消費品中或最終進入我們的環境。”
克萊因斯特魯爾說，她理解為什麼消費者保護團體可能對這些變化持謹慎態度。但她強調，環保署逐步淘汰動物實驗的動機“實際上是為了使用根本上以人體生物學為基礎的最佳科學，提供更好的人體健康保護”。
為了了解以人為中心的模型的未來可能是什麼樣子，我參觀了波士頓的生物技術公司 Emulate。Emulate 專門從事器官晶片：柔性聚合物平臺，大約一英寸長，可複製人體細胞和組織微環境。
組織工程師蘇什瑪·賈達拉納加里讓我扮演實驗室技術員。在生物安全櫃中工作時，我吸取了臺盼藍染料，並將移液器頭插入一塊原始晶片頂部的微小凹坑中。當我釋放液體時，一條細細的墨線沿著一條縱橫交錯晶片的空心通道出現，並在另一端的開口處結束。第二條通道在下面執行，與第一條通道之間隔著一層多孔膜。
真正的研究人員在這種晶片的通道中播種的不是染料，而是人體細胞。多個晶片，每個晶片都排列著不同型別的器官特異性細胞和組織，可以連線起來模擬多器官系統，研究人員可以透過在細胞上流動液體或空氣、對細胞施加機械力或添加藥物、香菸煙霧、化學物質、病毒或細菌等物質，在一個或多個晶片上進行實驗。
Emulate 的晶片可以替代肝臟、腎臟、結腸和十二指腸，該公司還提供可以定製的空白晶片。外部研究人員已使用這些晶片，利用其實驗室的細胞建立了 30 多個額外的模型。* Emulate 的客戶包括製藥公司、學術實驗室和政府機構。
Emulate 從哈佛大學懷斯研究所剝離出來，其基礎是動物愛好者、細胞生物學家和生物工程師唐·英伯的工作，他 40 年前開始開發體外模型，因為他不喜歡在活體生物身上進行實驗。“我過去常開玩笑說我是被狗養大的，但現在一隻貓統治了我的生活，”英伯說。他和他的同事在 2012 年收到國防高階研究計劃局 3700 萬美元的撥款用於開發這些技術時，他對器官晶片的研究得到了快速推進。英伯現在經常收到機構、基金會和公司的邀請，邀請他申請資金。
所謂的器官晶片的進步可以加速實驗室中逐步淘汰動物實驗——並帶來更好的結果。
Emulate, Inc.
Emulate 是越來越多從事科學家可以在研究中使用的替代方法的企業之一，十年前，這個領域只有 5 到 10 家公司在探索。這些測試和裝置並非旨在完全複製健康或疾病狀態下的人體器官。它們也並非旨在作為動物模型的一對一替代品。相反，其目標是概括科學家需要研究特定問題的功能和特徵。肝臟晶片不必完美地模擬人體器官；它只需要準確地回答研究人員正在用它來解決的問題。
Emulate 的肝臟晶片是該公司最受歡迎的器官模型。這是因為新藥失敗的主要原因之一是動物模型無法揭示人體肝毒性——當肝臟因接觸有害物質而受損時就會發生這種情況。在 2022 年發表在《通訊醫學》雜誌上的一項研究中，一個由 Emulate 領導的團隊評估了 870 個肝臟晶片，這些晶片涵蓋了一組 27 種已知的肝毒性和非肝毒性藥物的盲法。這些晶片正確識別出 87% 的肝毒性藥物——動物模型均未檢測到這些藥物。此外，這些晶片沒有像動物模型通常那樣，錯誤地將任何安全藥物標記為有毒。根據這些發現，作者計算出，如果製藥行業常規使用肝臟晶片，每年可以額外產生 30 億美元或更多的收入。
Moderna 在 2022 年的一項案例研究中表示，提高所謂的預測能力可以節省時間、金錢和動物生命。這家制藥公司使用 Emulate 的肝臟晶片篩選了 35 種藥物遞送分子候選物。肝臟晶片使其能夠在一年半內以 32.5 萬美元的成本完成這項任務。Moderna 表示，如果該公司在非人靈長類動物身上進行相同的測試，則將花費超過 500 萬美元，並且需要五年時間。
學術實驗室也在發明新工具。約翰·霍普金斯大學醫學院的分子生物學家瓦西里基·馬凱拉基受到祖母被診斷出患有阿爾茨海默病的啟發，一直在建立一種非動物阿爾茨海默病模型。馬凱拉基使用從阿爾茨海默病患者身上採集的血液樣本製作幹細胞，然後將其分化為腦細胞和腦類器官，這是一種自組裝的三維組織培養物，看起來有點像一盤盤淡色的迪品多點冰淇淋。這些類器官在大約四個月內開始顯示其供體的病理跡象，使研究人員能夠測試各種藥物對阿爾茨海默病的療效。“這是一種個性化模型，最終可以告訴你針對不同患者的最佳藥物，”馬凱拉基說。
在生物醫學工程師德浩·金領導的約翰·霍普金斯大學實驗室中，研究人員在容納 24 個硬幣大小的孔的培養板上培養人體心臟組織。電極用電流刺激心臟組織，磁感測器使研究人員能夠測量跳動肌肉的抽搐力。一些實驗室成員正在測試新的化療藥物的心臟毒性和有效性——其中許多藥物在人體中失敗是因為它們不安全或無效——另一些實驗室成員正在篩選肌肉萎縮症（一組消耗性疾病）的新療法。已發現治療方法可以改善小鼠模型中某些形式的疾病的症狀，但它們對人類患者無效，許多人類患者在 30 多歲時死於心力衰竭。
與腦類器官一樣，工程心臟模型也來源於攜帶其供體基因的幹細胞。塔格萊說，這為研究傳統上在研究中被忽視的患者開闢了機會，包括那些患有“根本不存在[動物]模型”的罕見疾病的患者。“罕見疾病的研究很少，而且開發罕見疾病的動物模型興趣不大，因為這需要大量的時間和精力。”
分子生物學家安妮卡·哈里奧特說，“進行與患者直接相關的實驗”的能力是她決定加入金實驗室擔任博士後研究員的一個動機。哈里奧特小時候被診斷出患有罕見的凝血障礙，醫生無法告訴她關於她病情預後的任何資訊，因為患有她這種疾病的患者數量很少，無法進行臨床試驗。她說，使用人體幹細胞而不是動物模型進行研究“有助於將這項工作轉向公平”。
致力於探索動物依賴性方法的替代方案的會議，如微生理系統世界峰會，吸引了 1000 多名與會者。他們中的許多人是博士生和博士後，他們希望利用他們認為是未來工具的工具建立科學事業。
2022年 11 月，美國聯邦檢察官公開了一份不同尋常的起訴書：對八人提出重罪指控，罪名是他們涉嫌運營一個國際猴子走私團伙。直到 2020 年，中國還是世界上最大的圈養實驗猴供應商。但新冠疫情期間的野生動物貿易禁令引發了國際實驗猴短缺——僅在美國，每年就使用約 7 萬隻實驗猴。據政府稱，該走私團伙使用虛假檔案將數百隻非法捕獲的野生長尾獼猴（一種瀕危物種）從柬埔寨走私到佛羅里達州和得克薩斯州，以供應研究行業。
洛克認為，這場“爛攤子”本應向科學界發出一個明顯的訊號，即需要更積極地從實驗動物轉向以人為中心的替代方案。但在很大程度上，情況並非如此。相反，“研究界尖叫著，‘我們需要更多的獼猴！’”洛克說——這種短視性在他看來等同於“在 20 世紀 50 年代問，‘我們如何獲得更多的計算尺？’”
從動物實驗轉向替代方案的文化轉變並非易事。“如果你說你想從事研究事業，但不想做動物實驗，你仍然會有點被嘲笑，”德國弗萊堡大學醫學中心的醫生安東尼婭·埃格特說。
最重要的是，研究人員很難進行這種轉變，因為監管機構尚未明確說明替代模型需要滿足什麼條件才能取代現有的基於動物的測試，約翰·霍普金斯大學環境工程博士生布雷安妮·金凱德說。儘管 FDA 和 EPA 廣泛宣告他們將接受非動物毒性資料，但他們的監管機構尚未“落到紙面上來說，這些是您需要滿足才能使用您的模型的公認標準”，她繼續說道。這意味著使用替代方法的科學家無法保證他們提交給監管機構的調查結果“不會僅僅遭到不信任投票，並被要求提供額外的動物資料。”
政策制定者也就實驗室是否應該投資替代方法發出了混合訊號。當拜登總統在 2022 年簽署《FDA 現代化法案 2.0》時，這項新法律廢除了 1938 年的一項授權，該授權規定動物實驗必須成為每項新藥申請的一部分，並授權使用最佳的非臨床模型取而代之。《現代化法案》是“一個非常令人鼓舞的變革跡象”，洛克說，但它尚未滲透到具體的指導方針、標準或政策中。
在回答有關該機構將如何將《現代化法案》轉化為現實決策的問題時，FDA 發言人寫道：“雖然 FDA 致力於盡一切努力減少在人類藥物開發廣泛背景下對基於動物的研究的依賴，但在大多數情況下，動物實驗在科學上是必要的，因為當前的科學水平不支援用替代方法取代所有動物實驗。”
如果立法者在 2024 年 2 月提出的《FDA 現代化法案 3.0》獲得透過，情況可能會發生變化。該法案將要求 FDA 建立一個流程，以鑑定新方法，以便可以將它們用於藥物開發。今年，美國國立衛生研究院向幾個學術中心撥款高達 3000 萬美元，這些中心將在未來五年內與 FDA 的意見相結合，將一些器官和組織晶片鑑定為批准的藥物開發工具。塔格萊說，如果該法案獲得透過，“我預計對這些東西的需求將激增，主要來自制藥行業。”
塔格萊和他的同事最近從美國國立衛生研究院共同基金獲得了約 3 億美元的資金，用於一個為期 10 年的專案，以開發和驗證用於生物醫學研究的新方法。補充動物研究實驗計劃將鼓勵包括工程師、計算科學家和物理學家在內的跨學科團隊推進非動物方法的科學發展和監管認可。塔格萊說，透過研討會和會議接觸下一代科學家是該計劃的另一個組成部分，“這樣，當他們開始自己的實驗室時，他們自然而然地就會採用這些新技術。”
*編者注（2024 年 8 月 23 日）：這句話在釋出後經過編輯，以更正額外的模型數量。