科学家们面临着越来越大的压力,要求他们在实验室中尽量减少使用实验动物。目前已经有了越来越多的替代方法。
在那些欲赋予动物以权利的人和那些认为科学要进步就必须使用动物的人之间的争论一直非常激烈。从1995年4月24日起,美国和欧洲将会有一周的时间进行抗议和讨论。许多人们早已熟悉的争论之词将会在那时再次出现。动物福利团体联盟把4月24日称为国际实验动物节。
然而,那些关心动物福利的人和那些关心科学进步的人的分歧很快就会缩小,这并不是因为在道德问题上会取得一致意见,而是由于动物实验的需要将会减少,科学家,实业家和政策制定者正在开发取代动物作生物医学研究和毒性试验的方法。他们已经取得了很大的进展。
三个R
他们的对策可以用三个字概括:减少(reduce)、改进(rerine)和取代(replace),具体地说,在试验和实验中尽量少用动物;使得必要的实验提供更多的信息和更加人道;开发不需要使用动物的实验方法(代替动物实验)。
全世界每年用于研究和试验的动物数字只是一个粗略的估计,因为很少有国家要求研究人员作此类记录。具有记录的国家的统计数字显示了在过去的10年中,使用动物的数量有了明显的下降。1993年英国的科研使用了2,800,000只动物,比前一年少了100,000只,比1987年少了20%。荷兰和加拿大报道了实验动物相似的下降速度。
要确切地知道美国使用实验动物的情况就比较困难,因为在美国最常用的实验动物大鼠和小鼠没有处于联邦法律的保护之下,因此没有确切的统计数字。研究人员估计,和英国的情况相似,85%当今的实验使用老鼠。在麻省的Tufts动物和公共政策中心主任安 · 洛万(Andrew Rowan)认为美国科研使用的动物总数从1968年以来下降了一半,现在每年不超过3000万只,但这对动物保护主义者来说仍然是一场大屠杀。然而下降的趋势是很清楚的。70年代末,仅仅一家制药公司像Hoffman Laroche公司每年就要在生产和试验中消耗掉100万只动物。而现在他们已经下降了90%的需求量。
发生这种变化的一个原因是政府的坚持。西欧开了立法的先河,1986年以来,欧洲联盟的一项指令(通过国家委员会执行〉,要求研究人员选择非动物的方法,如果这些方法在科学上是满意的,在实际上是行得通的。欧洲委员会从1998年起将禁止所有的化妆品动物试验,并且在2000年以前力争将科研使用动物的数字降低到目前水平的一半。
在美国,许多年来授权地方当局自行斟酌执行的法规正缓慢得以修改,以鼓励减少、改进和取代的做法。最近国立卫生研究院(NIH)制定了一项计划,减少使用动物的数量,虽然它不愿提及“替代方法”。NIH的实验动物研究部主任路易斯 · 西波尔(Louis Sibal)说,许多科学家喜欢使用“辅助物”(adjuncts)一词,强调新技术作为补充手段,而不是为需要动物的研究项目找到代用品。
公众对使用动物的不安不可能很快地消除。在瑞典,这个世界药物研究的重要基地,1992年的一次公民投票表决中,有7%的公民要求削减动物实验。随同公众对这个问题的日益关注而来的是源源不断的资金,资助开发取代动物实验的方法。华盛顿Kennedy伦理研究所的巴巴拉 · 奥兰斯(Barbara Orlans)说现在数千万美元的经济资助来自于全世界60多个机构,有公司、政府和慈善会。
要求取代动物试验而在研究中投入大量的资金只是事情的一个方面,科学能拯救动物吗?
寻找新方法
70年代,随着分子生物学的兴起,出现了使用微生物作为实验工具的趋势。用真菌或细菌做试验,检测物质的毒性,不仅要比活动物试验成本低而且速度快。
一种含磷的发光菌适用于检测化学刺激物。在正常的代谢过程中,这种细菌将部分细胞能量转换成光。某些种类的化学物质能够干扰这个过程,使得光亮变暗,这样提供了检测毒性的方法。这种试验方法首先由加州Carlsbad的微生物公司(Microbics Corp.)的科学家研究成功,现在已被许多公司用于一系列的试验中。
Microbics引进了发光菌的另一品种,它要在变异诱导物质的作用下才会发光,初始研究显示出这个检测系统的作用可以及得上历史悠久的Ames试验。然而,以前几乎化了10年的评估时间才使得美国的环保署相信Ames试验有足够的敏感度和特异性来预测对人体的毒性,Ames试验使用沙门氏菌,它很容易辨别DNA改变的反应。当细菌和受试的化学物质接触,其反应可以揭示这种化学物质使细菌发生变异的倾向。今天,这种方法仍然是国际规则认可的少数细菌毒性试验之一。认可过程的拖拉使得某些人像欧洲新方法认可中心的负责人迈克尔 · 鲍尔斯(Michael Balls)认为目前取代动物的障碍不仅在于科学方面,同样也在于官僚机构方面。微生物只有在一定的环境之下才能起到动物的作用。这种作用对于一种新的试管法来说只是辅助性的。新的试管法就是细胞培养。近来,科学在探索细胞生长的机制方面取得了很大的进展,这意味着可以从动物体或人体摄取细胞,使其存活数天甚至数年。这些日趋精细复杂的技术是现代细胞生物学的支柱,因为正是这些技术使得科学家们可以在比动物实验更容易得到的和更灵活的环境中研究基本的细胞生存过程。
细胞培养也能够使得生产生物制品的动物的数量大为减少。某些疫苗的生产过去需要动物的新鲜组织,现在只需要通过细胞培养。例如,30年前,荷兰生产脊髄灰质炎疫苗每年需要3,500只猴子,而现在只需要20只。
单克隆抗体是目前广泛用于诊断和治疗的免疫系统的导弹。以前通常从接种于小鼠的特殊肿瘤中获得,而现在,新技术像空心纤维生物反应堆(hollow-fibre bioreactor)可以在体外而不是在动物的腹腔内生产出抗体。英国最近报道了用于生产单克隆抗体的动物数量一年之中下降了30%。在瑞典,法律强制使用这种替代方法。
细胞培养对使用活动物进行药物试验和安全性评估也正发生着影响。药物的安全性评估在几乎所有的国家中是法律规定的。1985年以前,美国国立癌症研究所在患有癌肿的老鼠身上试验抗癌药物。现在他们改用人的肿瘤细胞,实验动物从400多万只下降到大约100万只。
人们正在研制大量的细胞培养系统以快速简易地检测可能引起癌症和先天性缺陷的物质。
然而离体细胞的研究成果有一定的局限性。大多数倡导用其他方法替代动物实验的人承认试管法无法完全重现动物器官的复杂程度。
在试管内重建复杂组织譬如肝脏的尝试进展缓慢,但是某些器官却获得了成功。具有复杂三维结构的人的皮肤就是一个例子。皮肤不是单层的结构,而是具有特殊的细胞、蛋白和脂肪构成的多层结构、荷兰Leiden大学的马 · 浦耐克(Maria Ponec)小组在试管里合成了皮肤的外面两层,以此他们能够研究作为生物屏障的皮肤的功能。
这种人工合成物在商业上获得成功的是加州Lajolla的高级组织研究组织(Advanced Tissues Sciences)研究开发的人造皮。研究人员利用从常规包皮环切术那儿得来的细胞。在尼龙支撑物上来制造人的三层结构的皮肤。经过在显微镜下观察组织结构的改变以及测定细胞释放炎症物质的速度,研究人员就能确定受检物质是否刺激皮肤,也能研究伤口的愈合和银屑病,
人造皮肤用于检测腐蚀性化学物质非常有效。去年美国和加拿大的运输部门批准用它替代传统的鉴别腐蚀性物质的试验。传统的试验是将这些物质涂在兔子被剃掉毛的背上,观察是否会灼伤兔子。
眼睛之光
这些兔子的命运和用来做Draize试验的兔子相比还算好。Draize试验用来检测对眼睛的刺激,试验中将化学物质喷射到兔子的眼睛上,观察组织的改变。化妆品工业在过去的10年中作出了很大的努力,寻找替代的办法。有些设法改进现行的技术,在不影响试验结果的前提下,减少使用兔子的数量和化学物质的用量。另有一些使用细胞培养和受精鸡蛋的膜测定化妆品的潜在刺激性。
但是到目前为止,60多种替代技术之中,没有一种被正式接纳为替代Draize的试验。国际上正在对这些技术进行认可调查(奇怪的是Draize自己也没有经过这样的调查)。但是加州的体外国际(In Vitro Inter-national)研制了一种非常简单而又十分可靠的替代试验,称为EYTEX。许多使得植物蛋白和糖的混合物变混浊的物质同时也被Draize试验证明有刺激性,其相关度预示着这是一种很好的能够替代Draize的试验。
加拿大的VZaterloo大学,最近在白内障的研究中意外地发现了一种新方法。雅各布 · 西万科(Jacob Sivakh)和他的同事们设计了一套激光扫描系统探测牛眼光学性质的改变。
晶体放在模仿体液的溶液中使其存活。一束激光穿过晶体,对晶体的毒性侵蚀会扭曲光线,改变光路,使得摄像机能够记录下来。这个试验提供了一种可重复的客观的方法定测对眼睛最主要的部分的损害程度,而Draize却忽略了这个方面。晶状体在培养液中能存活数周,所以这个系统也能用来测试在刺激物被去除以后,组织需要多长时间才能恢复以及恢复的程度。这是一个其他替代方法不具备的优点。
计算机模拟试验
有些科学家在计算机屏幕上看到了体外试验的前景,特别是在毒理学方面。现在数学模型和计算机程序已经用来预测某些化合物的生物活性。
这样的系统需要有个简单的前提:化合物的毒性取决于分子中原子的排列方式。“专家系统”譬如称为Derek的软件,能够经过把屏幕上的分子和数据库中的已知特性的分子相比较,发现可疑的原子结构。任何和有毒的特性相匹配都会以高亮度显示,以引起后续试验特别的注意。
但是此类计算机模型的实用性和构造模型的数据质量有关。虽然全世界拥有大量的有关结构和毒性的数据库资料,然而其质量的差异很大。有些譬如像美国国立癌症研究所的毒理学程序是很可靠的,但另一些却根本不能用。因此现在有人呼吁建立国际化学参照数据库,把从工业和公共领域得来的资料集中起来,最大限度地利用以前动物实验的结果避免不必要的重g。
°以上的计算机方法给出了化合物潜在毒性的静态描述。更新的模拟模型试图提供化合物在体内相互作用的动态画面。譬如药物的影响不仅仅取决于它和靶细胞受体结合的方式,它如何进入体内,如何循环,如何在肝脏改变以及如何排泄都起着作用。利用较早的动物研究资料和近来的试管技术资料,就可用数学模型表达上述过程,并将这些过程加以整合,建立基于生理的生物动力学模型。
然而,用来减少动物实验数量的高科技并不是唯一的因素。在许多情况下,减少使用动物取决于决策者是否愿意采纳替代方法,因此,出现了目前的许可性研究以证明这些新方法确实适宜替代经典的动物实验方
在基础研究中,着重点稍微有些不同。奥兰斯医生认为,最直接的效果应该是改进动物实验而不是取代,使得这些实验尽可能人道些,并尽可能用最少量的动物获得最多的实验数据。生物医学科学至少在目前还将继续研究某些非用动物实验不可的课题。专业学会、电子信息栏、专业杂志和明年的第二次世界大会,这些不仅会提高3R倡导者们在科学界的地位,而且其人数还会增加。