当伊茨·莫拉莱斯·潘托哈开始攻读细胞与分子医学博士学位时，她选择了一个使用干细胞——而不仅仅是动物——进行研究的实验室。莫拉莱斯·潘托哈刚刚花了两年时间研究小鼠模型中的多发性硬化症。作为一名本科生，她负责给动物注射痛苦的针剂以诱发疾病，然后观察它们丧失运动能力。她尽力温柔地对待小鼠，但她知道它们很痛苦。“当我靠近它们时，它们就会开始小便——这是压力的迹象，”她说。“它们知道接下来会发生什么。”
尽管小鼠实验在情感上“非常非常困难”，但莫拉莱斯·潘托哈仍然致力于她的研究，因为她渴望帮助患有多发性硬化症的姐姐。然而，在项目结束后三年，莫拉莱斯·潘托哈沮丧地发现，她的研究结果对像她姐姐这样的人没有任何直接帮助。她在小鼠身上测试的一种抗氧化剂似乎很有希望，但在人体样本中却无效。
这令人失望，但并不意外。大约 90% 在动物模型中有效的创新药物在人体临床试验中失败——这种高流失率导致每种上市新药的平均价格高达 23 亿美元。
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今天，莫拉莱斯·潘托哈是约翰·霍普金斯大学动物实验替代方案中心的一名博士后研究员，她正在帮助开发实验室培养的人脑模型。其目标是推进对神经退行性疾病的科学理解，同时推动该领域超越一些研究人员认为的对动物模型的过时依赖。
全球每年有数百万只啮齿动物、狗、猴子、兔子、鸟类、猫、鱼类和其他动物用于研究目的。确切的数字很难获得，但倡导组织“国际零残忍组织”估计，2015 年使用了 1.92 亿只动物。这项工作大多发生在四个广泛的领域：化妆品和个人护理产品、化学毒性测试、药物开发和药物发现研究。
基于动物的研究为重要的发现和拯救生命的医学进步做出了贡献。例如，新冠疫苗是在包括小鼠和非人灵长类动物在内的动物身上开发的。动物模型对于推进艾滋病药物以及开发治疗白血病和其他癌症的方法也至关重要，用途广泛。
但动物研究往往无法产生有用的结果。它们可能会淘汰可能有效的药物，或者遗漏人体中的毒性。它们未能为某些医学领域带来突破，包括神经系统疾病。2014 年的一项研究估计，在动物模型中开发的阿尔茨海默病候选疗法在临床试验中的失败率约为 99.6%。约翰·霍普金斯大学彭博公共卫生学院的环境健康科学家和律师保罗·洛克说：“随着关于人体生物学和变异性的问题变得更加复杂，我们正在触及动物模型的局限性。“你在动物身上遇到的问题——而且没有办法绕过这个问题——是动物生物学与人体生物学差异太大。”其他物种不再提供关于人体生物学的见解——包括细胞和亚细胞水平的见解——而这些是当今科学家实现创新所需的。
全球越来越多的跨学科研究人员正在研究动物模型的替代方案。有些人是出于对动物福利的担忧，但对许多人来说，拯救数百万生物的生命只是额外的奖励。他们主要致力于创造技术和方法，这些技术和方法将比动物更好地近似人体生物学和变异性。
在过去的十年左右，数十个实验室、初创公司和非营利组织一直在追求替代方法，从预测化学毒性的机器学习工具到可以组合起来复制人体器官系统的活体“芯片器官”。他们的努力现在已经成熟到一些实验室正在完全淘汰动物实验的程度。研究开始表明，这些新方法通常比动物提供更准确的答案。
立法也开始反映这些进展。2021 年，欧洲议会通过了一项逐步淘汰研究中动物实验的决议。澳大利亚国家科学机构已开始认真探索用于医疗产品开发的非动物模型。2022 年，乔·拜登总统签署了一项法案，废除了美国食品和药物管理局长期以来要求将动物实验作为每项新药申请一部分的规定。2023 年 5 月，马里兰州通过了一项开创先河的法律，规定动物实验实验室必须向一个基金捐款，该基金将用于资助其他开发与人类相关替代方案的实验室。2024 年提出的一项联邦法案将为 FDA 开始大规模接受来自新方法的数据铺平道路。
美国国立卫生研究院的一个小组主任达尼洛·塔格莱说，立法、工业和科学领域的这些进展的融合将带来“生物医学研究方式的巨大变革”，该小组正在领导一项全机构范围的行动，以投资于动物模型的替代方案。今年，美国国立卫生研究院启动了一项 3 亿美元的基金，专门支持用于药物筛选、疾病建模等的非动物替代方案的开发、验证和测试。这项资源将高于美国国立卫生研究院 400 亿美元研究预算中已用于替代方法的 8%，这一比例在过去 15 年中一直在上升。正如塔格莱所说，“我们看到立法、工业和科学发展正在融合。”
1937年，当 12 名患者因感染前来密西西比州科文顿县的医生阿奇博尔德“阿奇”卡尔霍恩处就诊时，这位医生做了他经常做的事情：他给他们开了磺胺药的处方，这是一种他已经使用了多年的抗生素。几天之内，六名患者死亡。生产磺胺药的制药公司在覆盆子口味的配方中添加了一种新成分：二甘醇，一种防冻剂，结果证明是致命的。“这种认识给我带来了如此多的日日夜夜的精神和灵魂上的痛苦，以至于我不相信一个人能够承受并活下来，”卡尔霍恩事后写道。
约翰·霍普金斯大学的保罗·洛克和其他人表示，动物实验是否会在大多数研究中被逐步淘汰不是问题，而是时间问题。
“磺胺灾难”事件导致 100 多人丧生，其中许多是儿童。国会对此做出回应，颁布了《联邦食品、药品和化妆品法案》，这是一套旨在确保任何公司都不会再次在不知情的情况下销售有毒药物的法律。除其他事项外，该法案要求在开发中的新药在用于人体之前必须在动物身上进行测试。“动物模型的早期成功之处在于将这些可怕的产品拒之门外，”洛克说。
今天，动物模型仍然被认为是制药和药物发现研究的标准，部分原因是科学界的许多人仍然从中获得价值，部分原因是它们是现状。然而，美国动物实验的全部范围尚不清楚。联邦法律不要求研究人员公开为研究目的繁殖的大鼠、小鼠和鸟类的数量——这三个物种占实验对象的 95% 以上。同样，根据塔格莱的说法，没有全面的分析统计美国政府资助的使用动物模型的研究数量。
善待动物组织（PETA）估计，美国国立卫生研究院近一半的研究经费用于基于动物的研究。政府和学术界以外的组织也使用动物进行研究。美国人道协会估计，仅在美国，每年就有超过 5000 万只动物用于研究目的。
洛克和其他人表示，动物实验是否会在大多数研究中被逐步淘汰不是问题，而是时间问题。美国实验生物学学会联合会（一个代表 22 个科学学会和超过 11 万名全球研究人员的非营利组织）的科学政策副主任内奥米·查拉兰巴基斯说：“每个人都认识到，最终目标是尝试取代动物实验。”但动物不会很快从研究中消失。“我们仍然处于起步阶段，”查拉兰巴基斯说。
机构间替代方法验证协调委员会 (ICCVAM) 在美国国家环境健康科学研究所的主持下运作，该委员会由 18 个研究和监管机构组成，共同致力于推广以人体生物学为基础并减少和取代动物实验的新的科学有效方法。ICCVAM 的计算毒理学家和执行主任妮可·克莱因斯特鲁尔表示，该团队优先考虑“最终将转化为监管和实施的科学项目”。
但这发生的速度会有所不同。洛克怀疑，探索生物系统基本机制的发现研究可能需要最长的时间，因为它是科学家使用动物进行探索的最复杂领域。对于这项研究，动物提供了作为具有完整器官系统的活体生物的优势，这些器官系统以协调的方式相互作用——这是体外方法目前无法做到的。
化妆品和个人护理产品行业在逐步淘汰动物实验方面走得最远，这主要是因为消费者需求。超过 2500 家北美化妆品、个人护理和家居产品公司已获得无动物实验认证。美国有 12 个州和 45 个国家/地区禁止动物实验化妆品，2023 年 9 月在众议院重新提出的立法可能会将整个美国也纳入该名单。
逐步淘汰某些类型的毒性测试（旨在确定某种物质造成危害的潜力）可能紧随其后。大量研究表明，在许多情况下，使用预先存在的数据训练的人工智能算法在预测各种化学品的毒性方面与动物一样可靠，甚至更可靠。2016 年，巴拉克·奥巴马总统签署了《有毒物质控制法案》的修正案，指示环境保护署开始减少在毒性测试中使用脊椎动物，并在科学可行的情况下用替代方法取而代之。
环保署在实现这一目标方面取得了一些进展。例如，2018 年，该机构批准了 62 项豁免请求，减少了某些毒性测试中的动物数量，在第一年就减少了约 16500 只动物，并节省了约 890 万美元。2024 年，环保署发布了一个新的框架，用于通过替代测试方法评估眼睛刺激或腐蚀。
一些环保组织反对完全过渡到无动物实验。正如俄勒冈州立大学的生态毒理学家苏珊娜·布兰德去年在环境保卫基金会发表的著作中总结的那样，“迫在眉睫的担忧”是，新方法可能会遗漏动物模型能够捕捉到的负面影响，“可能导致有毒化学物质出现在消费品中或最终进入我们的环境。”
克莱因斯特鲁尔说，她理解为什么消费者保护团体可能对这些变化持谨慎态度。但她强调，环保署逐步淘汰动物实验的动机“实际上是为了使用根本上以人体生物学为基础的最佳科学，提供更好的人体健康保护”。
为了了解以人为中心的模型的未来可能是什么样子，我参观了波士顿的生物技术公司 Emulate。Emulate 专门从事器官芯片：柔性聚合物平台，大约一英寸长，可复制人体细胞和组织微环境。
组织工程师苏什玛·贾达拉纳加里让我扮演实验室技术员。在生物安全柜中工作时，我吸取了台盼蓝染料，并将移液器头插入一块原始芯片顶部的微小凹坑中。当我释放液体时，一条细细的墨线沿着一条纵横交错芯片的空心通道出现，并在另一端的开口处结束。第二条通道在下面运行，与第一条通道之间隔着一层多孔膜。
真正的研究人员在这种芯片的通道中播种的不是染料，而是人体细胞。多个芯片，每个芯片都排列着不同类型的器官特异性细胞和组织，可以连接起来模拟多器官系统，研究人员可以通过在细胞上流动液体或空气、对细胞施加机械力或添加药物、香烟烟雾、化学物质、病毒或细菌等物质，在一个或多个芯片上进行实验。
Emulate 的芯片可以替代肝脏、肾脏、结肠和十二指肠，该公司还提供可以定制的空白芯片。外部研究人员已使用这些芯片，利用其实验室的细胞创建了 30 多个额外的模型。* Emulate 的客户包括制药公司、学术实验室和政府机构。
Emulate 从哈佛大学怀斯研究所剥离出来，其基础是动物爱好者、细胞生物学家和生物工程师唐·英伯的工作，他 40 年前开始开发体外模型，因为他不喜欢在活体生物身上进行实验。“我过去常开玩笑说我是被狗养大的，但现在一只猫统治了我的生活，”英伯说。他和他的同事在 2012 年收到国防高级研究计划局 3700 万美元的拨款用于开发这些技术时，他对器官芯片的研究得到了快速推进。英伯现在经常收到机构、基金会和公司的邀请，邀请他申请资金。
所谓的器官芯片的进步可以加速实验室中逐步淘汰动物实验——并带来更好的结果。
Emulate, Inc.
Emulate 是越来越多从事科学家可以在研究中使用的替代方法的企业之一，十年前，这个领域只有 5 到 10 家公司在探索。这些测试和设备并非旨在完全复制健康或疾病状态下的人体器官。它们也并非旨在作为动物模型的一对一替代品。相反，其目标是概括科学家需要研究特定问题的功能和特征。肝脏芯片不必完美地模拟人体器官；它只需要准确地回答研究人员正在用它来解决的问题。
Emulate 的肝脏芯片是该公司最受欢迎的器官模型。这是因为新药失败的主要原因之一是动物模型无法揭示人体肝毒性——当肝脏因接触有害物质而受损时就会发生这种情况。在 2022 年发表在《通讯医学》杂志上的一项研究中，一个由 Emulate 领导的团队评估了 870 个肝脏芯片，这些芯片涵盖了一组 27 种已知的肝毒性和非肝毒性药物的盲法。这些芯片正确识别出 87% 的肝毒性药物——动物模型均未检测到这些药物。此外，这些芯片没有像动物模型通常那样，错误地将任何安全药物标记为有毒。根据这些发现，作者计算出，如果制药行业常规使用肝脏芯片，每年可以额外产生 30 亿美元或更多的收入。
Moderna 在 2022 年的一项案例研究中表示，提高所谓的预测能力可以节省时间、金钱和动物生命。这家制药公司使用 Emulate 的肝脏芯片筛选了 35 种药物递送分子候选物。肝脏芯片使其能够在一年半内以 32.5 万美元的成本完成这项任务。Moderna 表示，如果该公司在非人灵长类动物身上进行相同的测试，则将花费超过 500 万美元，并且需要五年时间。
学术实验室也在发明新工具。约翰·霍普金斯大学医学院的分子生物学家瓦西里基·马凯拉基受到祖母被诊断出患有阿尔茨海默病的启发，一直在创建一种非动物阿尔茨海默病模型。马凯拉基使用从阿尔茨海默病患者身上采集的血液样本制作干细胞，然后将其分化为脑细胞和脑类器官，这是一种自组装的三维组织培养物，看起来有点像一盘盘淡色的迪品多点冰淇淋。这些类器官在大约四个月内开始显示其供体的病理迹象，使研究人员能够测试各种药物对阿尔茨海默病的疗效。“这是一种个性化模型，最终可以告诉你针对不同患者的最佳药物，”马凯拉基说。
在生物医学工程师德浩·金领导的约翰·霍普金斯大学实验室中，研究人员在容纳 24 个硬币大小的孔的培养板上培养人体心脏组织。电极用电流刺激心脏组织，磁传感器使研究人员能够测量跳动肌肉的抽搐力。一些实验室成员正在测试新的化疗药物的心脏毒性和有效性——其中许多药物在人体中失败是因为它们不安全或无效——另一些实验室成员正在筛选肌肉萎缩症（一组消耗性疾病）的新疗法。已发现治疗方法可以改善小鼠模型中某些形式的疾病的症状，但它们对人类患者无效，许多人类患者在 30 多岁时死于心力衰竭。
与脑类器官一样，工程心脏模型也来源于携带其供体基因的干细胞。塔格莱说，这为研究传统上在研究中被忽视的患者开辟了机会，包括那些患有“根本不存在[动物]模型”的罕见疾病的患者。“罕见疾病的研究很少，而且开发罕见疾病的动物模型兴趣不大，因为这需要大量的时间和精力。”
分子生物学家安妮卡·哈里奥特说，“进行与患者直接相关的实验”的能力是她决定加入金实验室担任博士后研究员的一个动机。哈里奥特小时候被诊断出患有罕见的凝血障碍，医生无法告诉她关于她病情预后的任何信息，因为患有她这种疾病的患者数量很少，无法进行临床试验。她说，使用人体干细胞而不是动物模型进行研究“有助于将这项工作转向公平”。
致力于探索动物依赖性方法的替代方案的会议，如微生理系统世界峰会，吸引了 1000 多名与会者。他们中的许多人是博士生和博士后，他们希望利用他们认为是未来工具的工具建立科学事业。
2022年 11 月，美国联邦检察官公开了一份不同寻常的起诉书：对八人提出重罪指控，罪名是他们涉嫌运营一个国际猴子走私团伙。直到 2020 年，中国还是世界上最大的圈养实验猴供应商。但新冠疫情期间的野生动物贸易禁令引发了国际实验猴短缺——仅在美国，每年就使用约 7 万只实验猴。据政府称，该走私团伙使用虚假文件将数百只非法捕获的野生长尾猕猴（一种濒危物种）从柬埔寨走私到佛罗里达州和得克萨斯州，以供应研究行业。
洛克认为，这场“烂摊子”本应向科学界发出一个明显的信号，即需要更积极地从实验动物转向以人为中心的替代方案。但在很大程度上，情况并非如此。相反，“研究界尖叫着，‘我们需要更多的猕猴！’”洛克说——这种短视性在他看来等同于“在 20 世纪 50 年代问，‘我们如何获得更多的计算尺？’”
从动物实验转向替代方案的文化转变并非易事。“如果你说你想从事研究事业，但不想做动物实验，你仍然会有点被嘲笑，”德国弗莱堡大学医学中心的医生安东尼娅·埃格特说。
最重要的是，研究人员很难进行这种转变，因为监管机构尚未明确说明替代模型需要满足什么条件才能取代现有的基于动物的测试，约翰·霍普金斯大学环境工程博士生布雷安妮·金凯德说。尽管 FDA 和 EPA 广泛声明他们将接受非动物毒性数据，但他们的监管机构尚未“落到纸面上来说，这些是您需要满足才能使用您的模型的公认标准”，她继续说道。这意味着使用替代方法的科学家无法保证他们提交给监管机构的调查结果“不会仅仅遭到不信任投票，并被要求提供额外的动物数据。”
政策制定者也就实验室是否应该投资替代方法发出了混合信号。当拜登总统在 2022 年签署《FDA 现代化法案 2.0》时，这项新法律废除了 1938 年的一项授权，该授权规定动物实验必须成为每项新药申请的一部分，并授权使用最佳的非临床模型取而代之。《现代化法案》是“一个非常令人鼓舞的变革迹象”，洛克说，但它尚未渗透到具体的指导方针、标准或政策中。
在回答有关该机构将如何将《现代化法案》转化为现实决策的问题时，FDA 发言人写道：“虽然 FDA 致力于尽一切努力减少在人类药物开发广泛背景下对基于动物的研究的依赖，但在大多数情况下，动物实验在科学上是必要的，因为当前的科学水平不支持用替代方法取代所有动物实验。”
如果立法者在 2024 年 2 月提出的《FDA 现代化法案 3.0》获得通过，情况可能会发生变化。该法案将要求 FDA 建立一个流程，以鉴定新方法，以便可以将它们用于药物开发。今年，美国国立卫生研究院向几个学术中心拨款高达 3000 万美元，这些中心将在未来五年内与 FDA 的意见相结合，将一些器官和组织芯片鉴定为批准的药物开发工具。塔格莱说，如果该法案获得通过，“我预计对这些东西的需求将激增，主要来自制药行业。”
塔格莱和他的同事最近从美国国立卫生研究院共同基金获得了约 3 亿美元的资金，用于一个为期 10 年的项目，以开发和验证用于生物医学研究的新方法。补充动物研究实验计划将鼓励包括工程师、计算科学家和物理学家在内的跨学科团队推进非动物方法的科学发展和监管认可。塔格莱说，通过研讨会和会议接触下一代科学家是该计划的另一个组成部分，“这样，当他们开始自己的实验室时，他们自然而然地就会采用这些新技术。”
*编者注（2024 年 8 月 23 日）：这句话在发布后经过编辑，以更正额外的模型数量。