器官芯片与AI模型如何取代动物实验

去年11月，英国政府宣布了一项大胆计划，逐步淘汰某些研究领域的动物实验。计划于今年取消皮肤刺激的动物试验，到2030年大幅减少对狗的部分研究。政府的长期愿景是“建立一个在科学领域，除特殊情况外，全面停止使用动物的世界”。

其他国家也在采取类似行动。去年4月，美国食品药品监督管理局（FDA）宣布计划在3-5年内，使动物研究成为药物安全性和毒性测试中的“例外而非常态”。同月，美国国立卫生研究院（NIH）公布了一项倡议，旨在减少其资助的研究中对动物的使用。今年，欧盟委员会计划发布一项路线图，以终止化学品安全评估中的动物试验。

长期以来，伦理和动物福利问题一直推动着限制在研究中使用动物的努力——而现在，替代科学方法的快速进展正在加速这一转变。这些“新方法 methodologies (NAMs)”包括被称为器官芯片的设备、称为类器官的3D组织培养物以及计算模型（如人工智能系统）。根据推动替代动物实验的某组织对七种疾病研究的分析，2006年至2022年间，仅使用NAMs的生物医学出版物数量从约25,000份增长到100,000份。某中心正在此领域投入巨资：2024年，其启动了“人体器官生理病理模拟系统”，这是一个致力于开发NAMs的基础设施项目，投资额为26.4亿元。

支持者表示，NAMs在模拟人体生物学和预测新药安全有效性方面可能优于动物。器官芯片和类器官通常由人类细胞创建，计算模型也可以使用人类数据设计。某机构生物启发工程研究所的生物工程师、某生物技术公司（专注于器官芯片）的联合创始人表示，向替代模型的转变“早该发生”。

但科学家表示，NAMs远未能在研究中取代所有动物实验。一些生物系统过于复杂和不可预测，无法在没有动物的情况下进行研究。许多替代方法还有待验证——以证明它们能足够准确和可重复地代表其所建模的系统，从而满足药品和化学品监管机构的要求。他说：“并非所有这些（替代）模型都已成熟到可以广泛应用。”

持续下降趋势

数十年来，替代、减少和优化研究中使用动物的努力一直在加强；在一些地方，动物的使用量已经在下降。来自英国的数据显示，动物科学实验程序的数量从2015年的414万次下降到2024年的264万次。2018年至2022年间，欧盟和挪威用于研究和测试的动物总数下降了5%。（美国使用的总数难以确定，因为法律不要求报告大鼠、小鼠和鱼类的使用情况。）

在英国，约76%的动物实验程序用于基础和应用研究：了解生物体、模拟疾病和开发新疗法。另外22%是监管程序的一部分——主要是在新药和其他化学品使用前测试其毒性和安全性。约67%的程序涉及小鼠或大鼠。

但这些动物有其局限性，特别是在理解和干预人类疾病方面。在临床前测试中有效作用于动物模型的药物，往往在人体中被证明无效。这是约86%的研究性药物在临床试验中失败的一个主要原因，也是许多研究人员专注于开发替代品的原因。

以败血症（一种对感染的严重反应）为例。研究人员已经开发出100多种在啮齿动物模型中看起来很有前景的败血症疗法，但在临床试验中却无效。部分原因是人类和啮齿动物免疫系统的差异，以及在基因相似、统一条件下饲养的近交系小鼠中模拟因人而异的复杂病情的困难。

研究人员越来越将NAMs视为一种解决方案。某大学的心脏病专家兼研究员和他的团队一直在开发一种他们称之为“培养皿中的临床试验”的方法。这包括从患有某种疾病的一系列人群中产生诱导多能干细胞（iPSC），用这些细胞培养细胞或类器官，然后测试潜在药物是否能改善“患病”模型的功能。

在一项2020年的研究中，他的团队从一个携带可导致一种常见心力衰竭形式突变基因的家庭成员中培育了iPSC，然后是内皮细胞——构成血管内壁的细胞。利用这些细胞，研究人员能够筛选可能的药物，并找到一种有助于改善该家庭两名携带突变成员心血管功能的药物，该药物可能得到更广泛的应用。他说，将这种方法整合到药物研发流程中，有助于在动物试验前揭示药物是否有效，减少使用的动物数量，并提高临床试验的成功率。

研究表明，一些NAMs与动物试验一样好，甚至更好。某机构开发了一种名为Liver-Chip的器官芯片系统，这是一个U盘大小的设备，人类肝细胞在充满液体的微小通道中生长，用于测试潜在药物是否会导致肝损伤。该公司2022年的一项研究表明，这些芯片能够以87%的准确率正确识别已知会导致肝损伤的化合物，而不会错误地将无害化合物标记为有毒。这些芯片还检测到了15种肝毒性药物中的12种，这些药物以前使用动物模型被认为足够安全，可以进入临床试验。

2024年，Liver-Chip被纳入FDA的“新药创新科学技术方法”试点项目，该计划支持推进药物开发工具。如果获得批准，制药公司可以使用该芯片代替动物模型测试毒性，并将数据作为药物批准申请的一部分提交。

然而，这类芯片是非常专业化的。某大学的毒理学家和他的同事开发了一种肾脏芯片，可以重现人类急性肾损伤的某些方面，该芯片正在被考虑纳入ISTAND计划。但他说，该设备只包含了肾脏二十多种细胞类型中的一种。“这是一种还原论方法，使我们能够更详细地研究这些细胞。但要了解整个人类肾脏中发生的情况，仍然需要动物研究。”

类器官的选择

动物试验的另一个流行替代品是类器官——能够捕捉真实组织或器官许多特征的3D活体系统。

在过去十年左右的时间里，研究人员创造了各种各样的类器官，可以模拟人类疾病，包括癌症和囊性纤维化等遗传疾病——并用它们来筛选可能的药物和测试毒性。在一项2021年的研究中，研究人员使用iPSC生成了人类肝脏类器官。他们用这些类器官创建了一个毒性筛选工具，可以检测出抑制类器官胆汁转运和线粒体功能的物质。该检测方法在238种市售药物上测试时准确性很高。

第三种替代方案是计算模型，研究人员在计算机中测试药物的行为。2021年，一个团队开发了一种工具，用于测试化合物是否会引起皮肤过敏——这是人类的一种过敏反应。这是工业和家用产品以及化学品安全测试的标准部分，传统上需要动物试验。该团队利用先前来自人类、小鼠和实验室研究的约430种化学品的数据，构建了一个虚拟测试，并表明它可以准确识别出有1%几率引起皮肤反应的化学品。该工具去年被某国际组织接受为皮肤过敏测试的方法，该组织制定了国际公认的化学品安全测试指南。

研究人员希望AI也能提供帮助。包括FDA和欧洲药品管理局在内的几个监管机构，正在致力于将AI工具整合到其化学品或药物安全评估流程中。

2023年，FDA某研究中心的研究人员及其同事利用对8,000多只大鼠进行的138种化合物处理的临床数据，构建了一个名为AnimalGAN的生成式AI模型。在一个涉及10万只虚拟大鼠的模拟实验中，研究小组表明，该模型可以正确地对三种化学结构相似的药物的肝毒性进行排序。这种方法现在是该机构推进AI工具在毒理学中应用的更广泛计划的一部分。

制药行业正在加大对NAMs的投资。某跨国制药公司的全球药物科学负责人表示，该公司在肿瘤学和免疫学等领域使用NAMs测试候选药物的研究越来越多。2023年，该公司成立了某人类生物学研究所，该所正在开发包括类器官在内的人类模型系统，以加速药物开发。虽然在美国和欧洲，大多数新药上市申请仍然强制要求提供动物数据，但该公司已获得豁免，在向包括FDA和EMA在内的监管机构提交的12份申请中使用了NAMs数据。“对于考虑这些替代方法，目前有更多的开放性。”

分阶段推进

2025年英国和美国政府的公告包含了加速NAMs开发和采用的多项承诺。英国政府战略——与一些其他政策和贸易团体一致——定义了三个“篮子”的动物试验及其替代目标。

第一个包含可以迅速淘汰的测试，因为存在良好的替代品，例如计划今年取消的皮肤刺激测试，转而采用计算、细胞或化学测试。

第二个包括需要更长时间才能替代的程序。此组的NAMs包括分析身体如何移动和代谢药物的“药代动力学”研究。政府表示，到2030年，将在狗和非人灵长类动物中将此类测试至少减少35%。第三个篮子，即没有良好替代方法的方法，仅包含一个例子：作为环境测试的一部分，使用鱼类测试内分泌干扰物质。（在这种情况下，目标是到2035年开发出替代方法。）

作为其4月公告的一部分，FDA发布了一份路线图，以减少、优化和替代药物测试中的动物。该计划最初将侧重于单克隆抗体的测试，因为，路线图称，动物研究成本高昂且难以预测人类对这些药物的反应。与此同时，NIH于去年7月宣布，作为鼓励NAMs研究的更广泛计划的一部分，它将不再资助“仅专注于人类疾病动物模型”的基金申请机会。

在药物和化学品测试中使用NAMs的最大障碍之一是验证。研究人员通常必须提交数据显示模型系统准确且可重复，提交给国家和国际验证机构——例如某欧盟替代方法参考实验室或美国某替代方法验证协调委员会。这些机构帮助其他机构决定来自模型的数据是否足以用于未来的监管应用。

但这个过程可能成本高昂且费力。而且所需的验证研究可能因方法而异。

英国和美国的新战略都强调加速验证，以便监管机构接受来自更多替代方法的数据。英国政府表示，将建立一个替代方法验证中心，连接实验室、政策制定者和监管机构以实现这一目标。去年9月，NIH宣布建立一个验证与资质认定网络，以加快NAMs的监管批准，并表示将在一个开发标准化类器官模型的中心投资8700万美元。

NAMs的日益普及使得严格验证变得至关重要。某大学NAMs测试中心的主任说：“除非我们将NAMs的要求与我们期望动物模型达到的严谨性和透明度相同，否则将会造成损害。”

加速应用

许多研究人员欢迎最近推动加速采用动物替代品的努力，并表示这些技术没有得到足够快的应用。“多年来，人们一直认为动物应该是默认选项，”某大学的癌症生物学家说。她和其它科学家对变革缓慢表示失望，并认为同行评审和资助者仍然偏爱包含动物实验的论文或资助申请。

但科学家们也有担忧。某位主任说，资助者和监管机构的一些公告有可能给人误导，让人以为NAMs比实际更先进。而且，他补充说，药物在临床试验中失败的原因不完全是动物模型不足。这些原因包括动物实验设计中的小样本量或其他缺陷，这些缺陷可能错误地表明一种潜在药物有效——而NAMs也可能存在这些问题。“我担心的是，使用NAMs的临床试验将会和用动物模型一样出现那么多的失败。”

研究人员表示，在可预见的未来，一些动物研究仍然是必不可少的。某研究所的生物学家说，复杂的生物系统，例如具有复杂血管和神经网络的整体器官、相互作用的内分泌和生殖系统或组织老化，都难以在类器官或器官芯片中重建和研究。

某大学的神经药理学家说，人类行为和认知在实验室培养皿中也基本上无法建模。当涉及到梳理生物学的复杂性时，她说：“在未来一段时间内，我们仍将需要在基础发现科学中使用动物。”FINISHED