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具备替代动物实验潜力的三大技术

发布时间:2022-09-06 10:37:39 阅读:17592次 来源:百度学术

  动物实验对于衡量新疗法的有效性和安全性至关重要。然而,出于经济、监管和道德等方面的原因,人们希望能够尽可能地避免动物实验这一环节。那么,哪些方法有望取代动物实验?这些替代方法真的可以减少动物在药物开发过程中做出的“牺牲”吗?

  今天,我们共同关注具备替代动物实验潜力的三大技术。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

  替代动物实验的技术

  在对新药进行人体试验(即临床研究)之前,药物开发人员需要通过临床前研究证明其安全性和有效性。长久以来,临床前研究都采用活体动物来进行药物的体内测试。近些年也会使用人体细胞或组织进行体外测试。

  一般而言,体外测试比体内测试更便宜、更快捷,但在动物(以小鼠最为常见)中进行测试可以更好地了解药物在生物体内的表现。虽然动物模型的预测价值会因具体疾病和药物而异,但研发公司必须要证明药物在动物模型中是安全有效的,因为只有这样才能达到监管部门的要求。

  随着生物技术的进步,现在我们能够更好地模拟人体器官及其生理学特征。如果这些技术被证明能够比动物实验更好地预测药物对人体的影响,那么最终它们可能会取代动物实验。

  不过,动物疾病模型可能依然无法被完全取代。无论如何,这些技术正在改变药物开发的面貌,减少我们对动物模型的依赖,从而使新的疾病治疗方案应用于临床,并最终给患者提供更实惠、更快捷的治疗方案。这些有望代替动物实验的技术包括组织生物打印、类器官和器官芯片。

  技术1:组织生物打印

  3D 打印已经彻底改变了科技界,该技术可利用数字化文件设计并生产复杂的机械零件。利用同样的思路,人们开始采用包含细胞的“生物墨水”来构造活组织。人们将这种技术称为“组织生物打印”。

  组织生物打印可以制造出具有 3D 结构的人体组织,与人体细胞培养物相比,它能够提供更多有关药物效果的信息。例如,法国生物打印公司 Poietis 正在与制药公司 Servier 合作开发一种生物打印的肝脏模型,以测试药物是否可能具有肝毒性。

  “世界范围内,很少有公司在药物开发过程中使用生物打印组织,”Poietis 公司的销售经理 Kevin Fournier 说道,“但现在,每年有越来越多的公司选择应用生物打印技术。一些专家认为,这项技术在未来几年会有巨大的爆发力。”

  生物打印技术的一个重要应用领域是化妆品研发。自 2013 年欧盟禁止在化妆品研究中进行动物实验以来,法国化妆品行业巨头欧莱雅一直在与美国生物技术公司 Organovo 合作,通过使用生物打印生产的人体皮肤对化妆品进行测试。

  除了传统的药物开发以外,组织生物打印还可以推动个性化医疗。以瑞典公司 Cellink 和法国生物技术公司 CTIBiotech 之间的合作项目为例,他们对癌症患者的肿瘤组织进行生物打印,以测试哪种药物具有最好的疗效。

  然而,组织生物打印仍处于非常早期的阶段。“目前,还没有比较动物模型与生物打印模型的研究,”Fournier 谈道,“我们认为,在接下来的 10 年里,生物打印技术将提供更接近原生人体组织的替代品,而且比动物模型更符合道德规范、更可靠、更实惠。药物测试模型的改变会给人们带来更多的收获。”

  技术2:类器官

  虽然基于细胞培养的药物筛选方法是久经考验的,但药物在人体细胞培养皿中的表现并不能代表它们在生物体内的真实表现。类器官是一种具有替代潜力的模型。这些具有 3D 结构的类器官由干细胞在适当的营养补给和处理条件下培养所得。

  与生物打印一样,类器官研究仍处于早期阶段,但有几家公司正在着手应用这项技术。例如,瑞士的 Sun Bioscience 公司正在使用类器官建立肠道模型,以研究囊性纤维化如何影响肠道。荷兰的 OcellO 公司则使用类器官来模拟不同类型的癌症。

  “结直肠癌是类器官技术应用最先进的科学领域,”OcellO 公司首席执行官 Leo Price 说道,“而在免疫肿瘤学、免疫学、神经退行性疾病、糖尿病、肥胖症和纤维化等领域,类器官技术仍需进一步发展。开发各个领域中特定组织结构的类器官是至关重要的,因为在培养皿上进行的细胞培养无法解决许多问题。”

  此外,还有许多学术团体正在开发类器官,至少有两个小组在对胎盘进行建模,他们还致力于开发用于模拟神经系统疾病的大脑类器官。

  与生物打印一样,类器官可以在药物开发早期阶段的体外测试环节中发挥重要作用,甚至在个性化医疗中也有很大用途。根据 Price 的说法,临床前研究的第一阶段可以在类器官中进行,这就意味着只需要在动物身上进行最终验证。

  不过,类器官具有一些局限性。第一,其难以实现可靠的商业化量产。另一个缺点是,目前很难在类器官中囊括多种类型的细胞,而这正是真实器官所具有的特征之一。科学家们正致力于克服这个问题,但还有很长的路要走。

  技术3:器官芯片

  器官芯片是一项在微型芯片中实现细胞生长的技术,这种微型芯片能够模拟人体器官结构和行为。因此,研究人员也可以利用该技术来测试药物。并且,由于芯片的尺寸很小,所以相比于动物实验,使用这种方法进行药物测试的速度会更快且成本更低。

  荷兰器官芯片公司 Mimetas 的首席执行官 Jos Joore 介绍道:“器官芯片领域大约只有六七年的历史,但其承载着巨大的希望。实际上,目前还正在利用该技术开发疾病预测模型。”

  器官芯片可用来模拟各种器官,包括肝脏、肾脏、肠道、心脏,甚至大脑。这些芯片可以相互连接,从而模拟药物随血液流动时对各个器官的影响。这就是英国公司 CN Bio 正在做的一个系统,该系统在一个芯片上集成了 10 个器官。

  然而,Joore 认为该系统不能完全取代动物实验,他说道:“连接这些组织,会成倍地增加系统复杂性,我不会考虑连接十个组织,因为这也许会制造出一个弗兰肯斯坦怪物(小说《科学怪人》中的虚构角色),人们无法控制它。”事实上,在芯片上集成太多器官可能会丧失该技术的主要优势,即轻松快速地建立简单的人体组织疾病模型。

  动物实验的未来

  生物打印、类器官和器官芯片尚处于早期阶段,这些技术有望更好地预测药物对人类的影响。它们虽然极大地改进了传统的细胞培养技术,但在预测药物表现方面的作用仍是有限的。这意味着,尽管这些技术可能会减少动物实验,但在人体试验之前,仍可能会需要使用动物来验证结果。

  当然,动物实验也存在一个巨大问题,那就是动物并不能完美地代表人类患者,尤其是阿尔茨海默症等神经退行性疾病患者。许多药物在动物实验中效果很好,但在临床试验却失败了。

  “总的来说,动物模型的预测能力不是很强,”Joore 说道,“如果动物模型有良好的预测能力,那么在进行临床试验时,就不应该出现药效缩减 90% 的情况。”

  Understanding Animal Research 组织的公共事务主管 Chris Magee 表示:“实际上,动物模型在评估药物安全性方面的效果是相当不错的,但对药物疗效的预测往往较差。而过去,我们夸大了动物模型的重要性,或者没有合理设计实验。”

  不过,这个问题近年来已经有所改善。“科学家们知道老鼠不是人类, ”Magee 评论道,“近年来,过度宣扬动物模型的趋势也有所消退。”

  生物技术能否减少医学中的动物实验?在不远的将来,动物模型似乎会继续存在。但是,随着新技术的兴起和更好的实验设计,动物模型的使用应该会越来越少。随着动物实验的减少,药物开发会变得更合乎道德、更迅速、更便宜。到那时,每个人都是赢家。

  原文链接:

  https://www.labiotech.eu/in-depth/animal-testing-bioprinting-organoids/


本文链接:https://www.zjby-biotech.com/news/hyzx/1560.html

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