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动物实验替代设计减少生物医学研究中的动物牺牲

2018年11月16日 浏览量: 评论(0) 来源:Saudi Pharmaceutical Journal Volume 26, Issue 6, September 2018, Pages 896-902 open access 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:各种即将到来的技术可用于替换需要动物牺牲的实验。在许多情况下,与涉及动物或动物产品的实验相比,这些技术提供更多的重复性和参数控制。利用这些技术可以避免实验过程中动物的牺牲,并得到伦理认可。计算机模拟、信息学、三维细胞培养模型,器官芯片是一些创新的技术,可以减少动物的牺牲。
摘要:各种即将到来的技术可用于替换需要动物牺牲的实验。在许多情况下,与涉及动物或动物产品的实验相比,这些技术提供更多的重复性和参数控制。利用这些技术可以避免实验过程中动物的牺牲,并得到伦理认可。计算机模拟、信息学、三维细胞培养模型,器官芯片是一些创新的技术,可以减少动物的牺牲。科学家发展了一些创新的培养程序,并生产出不含动物牺牲品的动物亲和试剂。电子健康记录也有助于减少生物医学调查中的动物牺牲。这些研究方法和策略可以更具成本效益,并且更适合与人类健康有关的各种问题。在动物模型上成功地检测了药物之后,也出现了一些医疗失误。因此,在人类健康的背景下,动物实验的可靠性是值得怀疑的。替代动物实验有助于将研究所需的动物数量减少到一定程度,但不能完全消除对动物研究的需要。动物实验在生命科学未来发展中的重要性不容忽视。
 
关键词:替代 动物 试验  处死 
 
简介:在当前科学机构或产业所遵循的规则的情况下,如果为了人类福利而进行实验,那么牺牲动物并不被认为是不道德的。作者提供了即将到来的技术和产品的概述,可用于避免动物牺牲。这不仅将减少与程序有关的许可方面的道德问题,而且将解决替代动物实验的缺点,从而对生物医学研究的进展产生总体的积极影响。
 
研究中避免动物牺牲的新产品和新技术的开发
计算机模拟与信息学:仿真可以减少所需的实验次数,尽管仿真不能完全代替实验,因为支配系统的所有原理通常都不为人所知,并且由于计算机和人类生活的限制,仿真在某种程度上使用细节上的近似。尽管不是确定性的,仿真和信息学正在成为所有科学研究领域有效利用现有知识进行实验设计的基础。计算机模型已经建立模型来研究人体的新陈代谢,斑块的形成和心血管疾病的风险,并评价药物毒性。利用基于生理的生物动力学(PBBK)模拟计算工具,可以预测环境污染物和化妆品的毒性和吸收、分布、代谢和排泄(ADME)。类似地,在各种细节尺度上,常常模拟蛋白质、受体、脂质双层细胞、大脑等以预测它们对物理条件和刺激或化学物质的行为或反应。计算机模拟和信息学方法通过减少潜在的药物候选分子,使药物发现中牺牲的动物数量最小化。同样,它也通过有效利用现有的知识减少了基础生物科学所需的动物实验的数量。
 
三维细胞培养模型和芯片:在当前生命科学进展的场景中,一些组织模型已经通过使用3D细胞培养以及包含器官模型的一些芯片来建立。这些模型一般是在人类细胞的帮助下构建的,这使得它们更适用于人类应用。这些模型还提供了更好的控制条件,以及更快更方便的实验。已经观察到,除了动物实验的替代方案之外,这项技术与新兴的诱导多能干细胞(IPSC)结合正在朝着制造可植入器官和组织的方向发展。在微流体通道中建立了心脏、肌肉、皮肤、大脑、睾丸、骨髓、肠、肾、肺、肝脏以及单个器官的多器官系统模型,同时重建了相关的物理和化学微环境。3D细胞培养利用支架、基质或无支架的方式将细胞生长成3D聚集体或球体。3D培养条件可被修改为包括在特定组织或肿瘤微环境中发现的因子或蛋白质。基质中含有ECM成分,这些成分导致细胞与细胞的接触、通讯和信号途径激活增加,从而使细胞的功能和形态分化很大程度上恢复到可见的水平。细胞的基因和蛋白表达水平与体内水平相似。在体外和体内药物筛选之间架起桥梁,可能减少动物模型的使用。
 
无血清动物细胞培养:来自人类的细胞培养是在通常含有胎牛血清(FCS)的培养基中完成的。生产胎牛血清的过程涉及动物(奶牛)的极端痛苦,因为怀孕的活牛被手术取出胎儿,然后从该胎儿的血液中获取血清。这胎牛血清不暴露于抗原或病原体,因此它被用于细胞培养,以避免污染和免疫反应,以及获得细胞生长所需的所有营养成分。由于胎牛血清是富含所有已知和未知营养素的天然培养基,因此它使细胞生长更有可能成功。但是科学家正在鉴别不同类型细胞生长所需的营养素和因素。在几乎没有任何动物产品的化学限定的培养基中培养几乎所有的细胞系是可行的。使用化学定义培养基的实验结果比动物血清培养基更可重复,因为由于动物的健康、年龄性别、基因组成和天气,血清的组成会随着批次而变化。动物源性抗体的替代物:动物亲和性(AFA)试剂是抗体的替代品,不经动物免疫而产生。这些抗体通常通过噬菌体、核糖体或酵母在体外筛选,但它们也包括非抗体试剂,如DARPins、亲和体、单体、抗蛋白等。各种荟萃分析已经证明动物不是人类生理学的良好模型。
 
非侵入性和间接测试:磁共振成像(MRI)和正电子发射断层扫描(PET)等非侵入性的方法可以观察人体和大脑的内部,而不会造成任何明显的伤害。微剂量技术是一种通过低剂量给药来研究药物在人体内的行为的技术,这种低剂量给药不太可能产生全身效应,但是它足以使细胞反应通过高灵敏度技术来研究。尸体解剖后获得的人体组织和器官是发现脑再生以及多发性硬化和帕金森病影响的主要资源。在外科手术中捐赠和获得的组织(例如活检、整容手术和移植)也用于直接人类相关性的研究。 例如,已开发出由重组人皮肤和其他组织制成的皮肤和眼睛模型,并用于取代兔子刺激试验。已故的Bjrn Ekwall博士利用捐赠的人体组织开发了LD50试验的替代品,该试验以77-84%的准确度测量毒性,而在小鼠试验中获得52-60%的准确度。电子健康记录(EHR)随着成本效益基因分型技术的发展,为研究提供了丰富的信息。随着计算能力的提高和信息技术的提高,使用EHR正成为医学研究的宝贵资源。只有使用与遗传信息相关的电子健康记录才能发现9p21区SNP与病态肥胖的心血管表型之间的关系。
 
动物试验毒性和真实性:使用人类数据的这一方向的发展也很重要,因为进入临床试验的95%的药物都不能进入市场,尽管用于开发它们的(动物)模型前景看好。大鼠和小鼠的实验结果不能以超过60%的准确度来预测。由于可疑的细胞真实性、过度传代、支原体感染、缺乏分化以及非稳态和非生理培养条件,细胞培养研究也与人类疾病无关。基于细胞培养的遗传毒性试验显示具有可忽略的特异性,非致癌物假阳性率为90%,大鼠致癌物敏感性为90%。. 软饮料、婴儿食品、油漆、园艺产品、化妆品和洗发水等产品含有多种合成化学品,如防腐剂、染料、活性成分或污染物。其毒性试验传统上包括动物实验以及使用胎牛血清作为培养基成分的细胞培养实验。毒性主要是在动物身上进行的,例如兔子、老鼠、狗和狗。一项比较研究发现,人类和小鼠模型中对不同病因炎症应激的基因组反应相关性很差。神经变性、中风、脓毒症和炎症的动物反应效率低,因此现代毒理学包括体外方法、组学技术和系统生物学方法。对大鼠、仓鼠、豚鼠、小鼠、猴子和狒狒的研究发现,玻璃纤维与癌症之间没有联系,而人类研究则将两者联系起来,结果职业安全与健康管理局将玻璃纤维标记为致癌。
 
动物实验的缺陷及对人体健康的不利影响:虽然某些生理、细胞学、生化或生物因素使动物实验对人类健康和疾病更加可靠。但如今,动物实验在人类健康方面的可靠性受到质疑。在50年代后期,给孕妇开了一种镇静剂沙利度胺,其中一些孕妇生了没有肢体的婴儿。几乎所有的实验动物模型,如小鼠、大鼠、兔子、仓鼠、猫、狗、犰狳、豚鼠、猪、雪貂等,都试验过同样的药物,并且观察到这种致畸作用只是偶尔诱发的。人类是高度进化和独特的动物,其独特性在整个动物王国中占主导地位。尽管如此,人类具有几乎相似的形态、解剖、生理或生化特性,但不同于各种实验动物。在临床前研究中,动物模型被广泛用于预测新化合物的代谢行为。Kararli研究了人及普通实验动物胃肠道(G.I.)的各种参数,这些参数引起口服药物吸收的显著变化。这种可比性不仅在解剖学上存在差异,而且在生理生化上存在差异,对药物代谢和吸收有显著影响。
 
动物实验替代品的缺点:替代动物实验有一些缺点,即没有合适的系统来研究替代动物模型的代谢反应。研究药物的身体反应和代谢,以及不能研究移植模型和特异性反应仍然是一个巨大的挑战。这些替代实验在一定程度上有助于减少研究所需的动物数量,但不能完全消除研究中对动物的需要。
 
结论:动物自古以来就被用于教学和研究中。早期动物因获取与动物解剖学、生理学和某些其他生物学事实有关的知识而被使用。动物解剖的作用也从基础知识转向高级研究。在现代生物研究和药物发现的基础上,从动物实验获得的结果。在动物模型研究的基础上,批准任何药物的临床试验。研究动物体内任何化学物质的作用和代谢都是前提。在技术时代,有时我们在实验过程中有过度的和不道德地使用动物。在开发过程中,设计了几种可供选择的方法来减少或改进实验。先进的技术已经发展来填补体外和体内技术之间的差距,甚至很快或稍后取代动物试验。世界范围内关注动物的伦理使用,传统方法受到挑战;动物产品的使用被微生物和医学诊断行业的某些其他替代品所取代。现今的药物设计与开发是基于电子健康记录的,这些电子健康记录是在一些生物信息学软件的帮助下使用的。有些药物在动物试验成功后,在临床试验中失败。
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