摘    要：实验动物伦理问题一直是动物实验中不可忽视的问题,并越来越受关注。随着实验动物“3R”(替代、减少、优化)原则及各种保障实验动物福利法律法规的实施,发展实验动物替代技术势在必行。近年来各种类器官技术飞速发展,并展现出巨大优势,有望成为解决实验动物伦理问题的办法之一。本文综述了动物实验中存在的问题以及类器官的发展与应用,以期为实验动物替代技术的发展以及实验动物伦理问题的解决提供新的思路。 

        关键词: 类器官;动物实验;实验动物伦理;实验动物替代技术

实验动物在医学研究中扮演着重要角色,为人类医学事业进步以及生物学的发展做出了不可磨灭的贡献。然而,实验动物在做出贡献的同时,或多或少都遭受了痛苦,并被剥夺生命。随着社会文明的进步,动物保护主义越来越关注实验动物福利,实验动物的伦理问题就成为了动物实验备受争议的问题之一。目前,美国已经批准在美上市的新药可不进行动物实验,并且通过政策鼓励减少、替代动物实验的方法研究,这无疑为实验动物伦理问题的解决提供了新的突破口。为了减轻或者消除实验动物的痛苦,践行实验动物的“3R”原则,从根本上规避实验动物的伦理问题,科研人员研发出一系列的实验动物替代技术,其中近年来飞速发展起来的类器官展现出巨大的优势。本文将动物实验存在的问题以及类器官的发展与应用综述如下。

 1　动物实验存在的问题 

1. 1　动物模型的应用问题 

尽管实验动物在人类医药卫生事业的发展过程中做出了巨大贡献,但实验动物的应用仍然存在严重不足。实验动物在遗传和免疫等方面与人类存在差异,因此不能够完全代表人类。实践证明,很多经动物模型测试安全有效的药物,却对人体无效甚至带来严重的不良反应^[1]。因此,将动物模型用于人类的疾病研究以及药物研发具有一定的局限性。 

1. 2　成本问题 

实验动物是特殊的实验材料,其成本问题不容忽视。实验动物对于培育繁殖、运输、饲养、管理等各个环节均具有特殊要求,需要专业人员操作,并提供特殊的饲养环境和饲料等;另外,为确保实验结果的准确性、可靠性,通常需要一定的样本量,并进行重复实验,导致实验动物的使用量非常大。以上因素必然导致实验成本增加。因此,寻找结果可靠性较强、实验成本较低的实验模型十分必要。 

1. 3　实验动物的伦理问题 

动物实验伦理问题主要来源:(1)制备动物疾病模型必然会对实验动物造成不同程度的伤害以及死亡;(2)某些实验人员保护意识淡薄、缺乏科研严谨性,在实验动物的使用过程中存在滥用现象,或者因经验不足、操作不当而对实验动物带来额外的痛苦。随着人类社会文明的进步以及伦理学的发展, 动物实验伦理问题成为了动物实验备受争议的焦点之一,这在一定程度上就限制了动物实验的开展^[2]。近年来,“3R”原则已经成为动物实验过程中必须考虑的问题,因此要求相关科研人员不断改进技术、努力寻找动物模型的替代技术,以规避实验动物的伦理问题。

2　类器官的发展历程及应用研究 

2. 1　类器官的发展历程 

为解决实验动物伦理问题,类器官(Orangoids) 技术应运而生,尤其在近年来得到飞速发展。类器官是指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维 (3 dimensional,3D)培养形成的具有一定空间结构的组织类似物,具有自我更新和自我组织的能力,能够高度模拟人体内的空间结构和功能特征^[3]。早在20世纪80年代“Orangoids”就已被提出,干细胞的研究为类器官的发展注入了强大的动力,2009 年,HansClevers 实验室使用单个鼠 LGR5+肠干细胞(ISCs)在体外培育形成具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官,开启了类器官发展的新篇章,为医药卫生事业的发展提供了新视角^[4]。 此后类器官的研究受到各国广泛关注,并成功构建了肝、肾、脑、肺、胃、视网膜、血管和心脏等多种类型的类器官^[5]。 

随着研究水平不断提升,类器官研究不断深入, 其作为一种新的生物模型展现出巨大的发展潜力。目前,科学家已经能够控制干细胞的自我更新并使其按照特定的谱系分化^[6]。 类器官主要来源于成体干细胞、诱导多能干细胞、胚胎干细胞和肿瘤细胞,其支架材料以水凝胶为代表,克服了动物源性细胞基质胶的缺陷,如易携带病毒等。Ye等^[7]利用一种基于聚异氰基肽(PIC)和层黏连蛋白-111 的新型水凝胶,用于人肝类器官培养,结果表明PIC在人肝类器官的培养方面具有广阔的应用前景。近年来, 类器官芯片^[8-9]、血管化类器官^[10-11]的研究克服了部分类器官发展中的困难,使得类器官能够更好地服务于人类医药卫生事业。

 2022年8月,美国 FDA 批准首个无动物实验、仅有类器官模型疗效数据的药物进入临床试验,这一决定展现出FDA 对类器官可靠性的认可。美国 FDA《现代化法案 2.0》^[12]中取消了对动物实验的严格要求,并建议在可行条件下逐步应用替代模型。我国类器官相关技术起步较晚,但已取得了一些重大突破。近年来我国政府对类器官的发展给予高度重视,科技部在 2021 年发布“十四五”国家重点研发计划,将“类器官与人源化动物模型”列为重点研究方向,拟建立包括类器官在内的多种疾病模型,以发掘疾病诊疗新靶标和新策略。至此,类器官发展进入到一个新的阶段,有望成为替代动物实验的方法之一。 

2. 2　类器官的应用研究 

类器官作为最前沿的体外模型,在疾病建模、新药研发、再生医学和器官移植等多个方面展现出独特优势。

在疾病模型构建方面:与传统的2D模型相比, 类器官具有与原器官相同的结构特征和遗传特性, 这也表明类器官可用于分析动物模型难以模拟的人类疾病,为人类疾病的诊断和治疗提供更大的参考价值^[13]。目前,科研人员已成功构建了多种疾病模型的类器官,能够提供与以往不同的疾病模型。例如,Paulsen等^[14]利用人脑类器管研究发现不同的自闭症风险基因能够影响同类型的神经元形成,为人类认识自闭症提供了新的思路。

在新药研发与药物筛选方面:类器官为药物研发和药物筛选提供了新的手段。源于人自身的类器官具备肿瘤组织的特征,有利于开展临床实验。就新药研发来说,可以缩短研发周期、减少研发成本, 进一步提高研发成功率。应用类器官模型进行药物筛选,在临床研究前将安全性和有效性进行融合测试,受试者将免于承担无效药物的不良反应和风险, 个体或特定群体也将获得更优治疗方案,减少临床实验中可能出现的不良反应^[15]。南加州大学科学家成功构建多囊性肾类器官模型,用于研究囊肿形成机制,为寻找抑制囊肿扩张的新药提供了新思路^[16];Herpers等^[17] 利用癌症患者类器官库对500多个双特异性抗体进行筛选,发现MCLA-158 对结肠癌类器官的生长具有抑制作用,为进一步研究相关抗癌药奠定了基础。 

在再生医学和器官移植方面:诱导多功能干细胞(iPSC)技术的发展使器官再生成为可能。除了体外应用,类器官已经被成功移植到其他生命体中进行研究,这为类器官在再生医学领域的发展奠定了基础。人源类器官具有稳定的遗传表型,因此利用患者自身组织细胞培养出的类器官能够为解决器官资源短缺和移植后免疫排斥反应问题提供新的思路。 

3　类器官发展对动物实验的影响 

3. 1　类器官的优点 

与传统的动物实验相比,类器官具有以下优点: (1)快速扩增能力强,实验周期较短,能够降低实验复杂性及实验成本^[18];(2)能够冷冻保存,利于生物样本库的建立;(3)具有人源性特点,能够模拟人体的遗传和生物学特征,减少种属差异导致的实验误差,构建实验动物难以生成的模型,为研究人类发育和疾病病理机制提供更可靠的数据支持,临床相关性更强。迄今为止,对人脑的研究仍以动物模型为主,但其结构与人脑有很大差异,而人脑生物样本具有难获得性,限制了研究者对人脑的进一步了解。Uzquiano 等^[19] 通过构建大脑类器官揭示了许多人类大脑皮层发育过程中重要的细胞和分子事件,该模型有助于人类对大脑健康和神经发育障碍的研究,而该研究依靠动物实验难以实现。此外,目前有关癌症的研究主要基于人源组织异种移植(PDX) 模型,但PDX模型培养时间长、成本高,高通量筛选能力差,且许多研究结果尚未得到进一步证实。肿瘤类器官的培养可以保留亲代肿瘤的复杂性、异质性^[20]及组织病理学特征,在一定程度上弥补动物实验的不足,促进人类医学研究进步。 

3. 2　类器官发展利于规避实验动物伦理问题 

iPSC来源的类器官由体外培养获得,比实验动物更能模拟人的组织结构。将其作为体内动物实验前的预实验,以筛除在类器官模型中无效的治疗药物和方法,从而减少实验动物的使用。类器官符合实验动物“3R”原则,可在一定程度上规避实验动物伦理问题。

 4　类器官发展中存在的问题 

虽然近年来类器官飞速发展,但其应用仅处于初级阶段,目前仍有许多亟待解决的问题:(1)在培养方面,现有的类器官模型对组织器官的功能结构模拟仍不充分,与传统的模型相比,尚缺乏血管、神经系统等结构,极大限制了其发展^[21];虽有微流控技术的结合应用,但该技术对于类器官存在环境的模拟并不成熟,流体微环境的控制问题仍有待解决。(2)在应用方面,类器官的培养过程缺乏统一的技术体系和规范的行业标准,因此,重复性和一致性问题在一定程度上限制了类器官的应用。 

5　总结与展望 

类器官的研究意义重大,其应用相比于传统模型已经展现出巨大优势。但迄今为止,类器官的培养及应用仍存在诸多问题,类器官模型短时间内仍无法完全替代动物模型。但随着其技术体系的日趋完善,以及相关行业标准化政策的出台,类器官有望成为规避实验动物伦理问题的有效手段之一。

参 考 文 献

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