實驗動物替代技術(shù)研究

宋冰辜吉秀汪永鋒?余四九張延英?康萬榮楊嬌

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),蘭州 730070;2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅省實驗動物行業(yè)技術(shù)中心,蘭州 730000;3.甘肅省疾病預(yù)防控制中心,蘭州730000)

實驗研究和臨床觀察屬于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及中醫(yī)學(xué)研究中的兩個重要方法,而動物實驗獨特的優(yōu)越性成為實驗研究的重要組成部分,隨著科學(xué)技術(shù)以及現(xiàn)代倫理學(xué)的發(fā)展,實驗動物福利和對實驗動物的保護(hù)開始得到越來越多的重視,在此基礎(chǔ)上的實驗動物替代方法研究,正逐漸成為實驗動物領(lǐng)域當(dāng)下以及未來的發(fā)展方向。

1 3R原則及發(fā)展

人類自古以來在狩獵、飼養(yǎng)食用、觀賞、試驗等很多方面使用動物,在使用方面存在很大的任意性,動物作為人類的私有財產(chǎn)、商品或食物而任人宰割,全無福利和權(quán)利可言。1822年,馬丁法令—旨在禁止虐待動物議案的提出,并獲得英國議會通過,這才標(biāo)志著人類歷史上首次以法律條文形式將動物的利益予以明確,從而保護(hù)動物免受虐待,自此人類對待動物的態(tài)度才開始發(fā)生變化。早期的動物福利主要針對遭受殘忍對待的動物個體。1959年,動物學(xué)家羅歇爾(William Moy Stratton Russell)和微生物學(xué)家布魯克(Rex Leonard Burch)共同發(fā)表了《人道主義實驗技術(shù)原理》(The Principles of Humane Experimental Technique),第一次系統(tǒng)性提出“3R”原則,即替代(replacement)、減少(reduction)和優(yōu)化(refinement),首次建立實驗動物替代方法理論,為實驗動物福利和倫理方面的研究奠定了理論基礎(chǔ),并明確實驗動物福利主要是針對養(yǎng)殖動物的飼養(yǎng)體系及實驗動物的實驗規(guī)則。從20世紀(jì)80年代開始,世界上主要發(fā)達(dá)國家美國、德國、瑞士、荷蘭等國先后制定動物保護(hù)法,其中均涉及動物福利相關(guān)要求。

2 實驗動物使用及替代情況

從當(dāng)前生命科學(xué)的發(fā)展需求來看,動物實驗仍然是科學(xué)研究不可或缺的關(guān)鍵部分。據(jù)估計,目前全世界每年約有數(shù)億只動物被應(yīng)用于各種科學(xué)研究及生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè),數(shù)據(jù)顯示2008年就有近1.15億只動物被使用[1]。2014年德國有280萬只動物用于科學(xué)研究,其中約有200.8萬作為實驗動物使用,其余則用于摘取器官[2]。依據(jù)歐盟相關(guān)數(shù)據(jù),2012年有262 148只實驗動物用于科研實驗,其中小鼠最多為196 103只,其次為大鼠32 205只,豬4784只[3]。美國實驗動物使用情況并不透明,但估計實驗動物每年使用量在2000萬只以上,善待動物組織(People for the Ethical Treatment of Animals,PETA)通過分析25個美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health,NIH)資助的主要機(jī)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在過去的15年間,實驗動物的用量增長了73%,其中小鼠用量超過總量的3/4[4]。

實驗動物的使用同樣需要兼顧科學(xué)發(fā)展和人類倫理進(jìn)步,從法律法規(guī),政策制定,新技術(shù)替代等多方面采取措施,減少對動物實驗的依賴。德國于2015年將德國動物試驗替代方法制定和論證中心(Center for Documentation and Evaluation of Alternative Methods to Animal Experiments,ZEBET)

擴(kuò)建為德國實驗動物保護(hù)中心(German Centre for the Protection of Laboratory Animals,Bf3R)[5-6],設(shè)立“動物保護(hù)研究獎”并自2016年開始將獎金提升為2.5萬歐元,在過去的30年德國聯(lián)邦教研部共資助500多個動物實驗替代相關(guān)項目,總計1.6億歐元[7-9]。歐盟一直強(qiáng)調(diào)替代方法驗證工作的重要性和發(fā)揮歐洲替代方法驗證中心(European Center for Validation of Alternative Methods,ECVAM)的作用。2009年,瑞典設(shè)立實驗動物替代方法研究項目,每年經(jīng)費約1200萬瑞典克朗,瑞典不使用動物實驗研究基金會截至目前共向500余項相關(guān)科學(xué)研究提供2900萬瑞典克朗資金支持[10-11]。

3 實驗動物替代技術(shù)進(jìn)展

實驗動物在血液循環(huán)、呼吸、神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等方面與人類具有相似的生理機(jī)制,由于這些相似性的存在,同時便于在實驗室開展科學(xué)研究,因此實驗動物為生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供非常好的實驗條件。現(xiàn)在實驗動物替代方法研究領(lǐng)域不斷出現(xiàn)的的技術(shù)發(fā)展,不僅會減少科學(xué)研究面臨的倫理難題,而且可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)動物實驗在相關(guān)科學(xué)研究中的缺點,從而對生物醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)展產(chǎn)生全面而積極的影響[12]。

3.1 計算機(jī)模擬分析及技術(shù)教學(xué)

計算機(jī)模擬是用計算機(jī)程序或網(wǎng)絡(luò)對人體生物、化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬,是替代實驗動物的主要方法之一。傳統(tǒng)動物實驗研究方法存在一些問題,例如動物模型與人體相差較大,將結(jié)論直接推廣至人體存在困難;實驗動物存在個體差異,為獲取具有統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)據(jù),需進(jìn)行大樣本實驗,耗費大量人力物力且存在倫理難題;有些需要極端實驗條件或?qū)嶒炛芷谔L等情況下,動物實驗仍存在較大局限性。因此計算機(jī)模擬通過構(gòu)造一個與真實系統(tǒng)具有某種相似的模型,利用該系統(tǒng)進(jìn)行一系列實驗具有明顯優(yōu)勢,同時在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)領(lǐng)域也體現(xiàn)了傳統(tǒng)方式無法比擬的特點。

Washio等[13]應(yīng)用計算機(jī)模型模擬人類代謝,研究血管中斑塊的形成和心血管風(fēng)險,并評估藥物的毒性。Lipinski等[14]、Raunio[15]分別使用基于生理學(xué)的生物動力學(xué)(Physiologically Based Biokinetic PBBK)模型,分析環(huán)境中污染物毒性以及化妝品的毒藥物動力學(xué)(ADME),即機(jī)體對外源化學(xué)物的吸收 (absorption)、分 布 (distribution)、代 謝(metabolism)及排泄(excretion)過程。Adler等[16]、Ekins等[17]使用計算機(jī)模擬和信息學(xué)方法通過對潛在靶向藥物分子進(jìn)行篩選,減少實驗動物在研發(fā)過程中的用量。黎永良等[18]通過采用MEK1晶體構(gòu)象構(gòu)建口袋模型和Flex Search模型,很好地重現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu),并篩選出多個有效中藥成分用于MEK1和黑色素瘤抑制的研究。周月等[19]采用同源建模手段構(gòu)建人CNT2三維結(jié)構(gòu)模型,采用Vina軟件虛擬進(jìn)行篩選菊苣小分子化合物作用于CNT2的化學(xué)成分的研究。Kwong等[20]、孟康等[21]、張曉云等[22]通過使用計算機(jī)模擬仿真教學(xué),減少實驗動物在基礎(chǔ)生物科學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的使用。目前高清晰度三維解剖計算機(jī)模型可取代動物解剖用于解剖學(xué)教學(xué)[23]。

3.2 三維細(xì)胞培養(yǎng)模型

三維細(xì)胞培養(yǎng)模型(3D cell-culture models)是體外細(xì)胞培養(yǎng)的新技術(shù),主要包括多層細(xì)胞模型(multicellular layers,MCL)和多細(xì)胞球體模型(multicellular spheroids,MCS)。作為體外培養(yǎng)的細(xì)胞模型,其不僅可以闡明藥物在細(xì)胞及亞細(xì)胞水平的攝取、分布、代謝、排泄等動力學(xué)過程,還可以模擬在體腫瘤組織的生理狀態(tài)及特異性微環(huán)境。三維細(xì)胞模型因特有的立體結(jié)構(gòu),成為評價藥物在腫瘤內(nèi)穿透、分布的最佳模型之一?，F(xiàn)階段三維細(xì)胞模型已廣泛應(yīng)用于抗腫瘤藥物的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)研究。

魯萌等[24]對三維細(xì)胞模型在抗腫瘤藥物早期藥代動力學(xué)篩選方面開展相關(guān)研究,表明該模型表現(xiàn)藥物作用在實體瘤內(nèi)真實情況方面具有明顯優(yōu)點,與活體研究相比,在干擾因素及成本方面更具優(yōu)勢,適用于早期藥物篩選。江翰等[25]通過建立膽囊癌3D細(xì)胞培養(yǎng)模型,研究膽囊癌細(xì)胞對新型納米載藥治療方法的影響,表明與體內(nèi)細(xì)胞發(fā)育結(jié)構(gòu)相近,可以有利于對腫瘤細(xì)胞的局部黏附、侵襲和遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移分子作用機(jī)制開展更好的研究。彭雪梅等[26]通過在體外構(gòu)建人乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231 3D模型,表明其可以為MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞的惡變、遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移研究提供可靠的模型并有利于抗癌藥物作用機(jī)制的研究。

3.3 無動物源性培養(yǎng)基

細(xì)胞培養(yǎng)基提供細(xì)胞體外存活和擴(kuò)增所必須的氨基酸、生長因子、維生素、糖、脂質(zhì)、無機(jī)鹽等各類營養(yǎng)物質(zhì)。但傳統(tǒng)的培養(yǎng)基多數(shù)采用胎牛血清、新生牛血清等制備,雖有價格便宜、供應(yīng)充足的優(yōu)點,但存在傳播轉(zhuǎn)染病的潛在風(fēng)險,而且由于是異種蛋白,不能支持例如人T淋巴細(xì)胞等細(xì)胞的生長。而人AB血清雖然可以解決相關(guān)問題,但是來源困難供應(yīng)受限,同時也有傳播疾病的風(fēng)險,因此以臨床應(yīng)用為目的細(xì)胞培養(yǎng)基中,應(yīng)該盡量減少或避免使用來源于動物和人體的原料。另外,由于物源性培養(yǎng)基主要采用動物源性的蛋白胨,其中復(fù)合成分以及比例目前研究并不完全清楚,同時在每批次中也不固定,一定程度上導(dǎo)致檢測結(jié)果可對比性較差,直接影響微生物檢驗和研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

陳元芬等[27]通過使用Hy Pep5603、大豆胨按一定比例替代培養(yǎng)基中動物源性成分作為氮源培養(yǎng)百日咳桿菌,證實可以替代原有的動物源培養(yǎng)基。代帆等[28]使用酵母浸出物作為氮源替代培養(yǎng)基中動物源性成分,提高了破傷風(fēng)梭菌的產(chǎn)毒量。陳文敏等[29]在2型肺炎球菌培養(yǎng)中采用無動物源性成分培養(yǎng)基,通過鑒別試驗,發(fā)現(xiàn)制備的多糖具有抗原特異性,同時一定程度上提高了多糖收率。任春紅等[30]使用無動物源成份培養(yǎng)基XF/SF-MSCM在體外擴(kuò)增臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)可以保持免疫學(xué)表型穩(wěn)定、維持分化潛能,且供應(yīng)量可以滿足臨床治療及科研需要。

3.4 無血清動物細(xì)胞培養(yǎng)基

新生牛血清和胎牛血清中含有豐富的細(xì)胞生長必須營養(yǎng)成份,在細(xì)胞體外培養(yǎng)中具有極為重要的功能。尤其胎牛血清為了避免外界污染,是母牛在懷孕五至八月齡胎時,將胎牛取出并進(jìn)行心臟穿刺取血制備。還因為胎牛還未接觸外界,血清中所含的抗體、補(bǔ)體等對細(xì)胞有害的成分最少,與新生牛血清相比,胎牛血清品質(zhì)最優(yōu),但存在產(chǎn)量低,成本高的問題。同時在胎牛血清生產(chǎn)和使用中還存在倫理學(xué)方面的問題。

無血清動物細(xì)胞培養(yǎng)基在解決相關(guān)問題方面體現(xiàn)出優(yōu)越性。阿爾祖古麗·阿依丁等[31]采用無血清懸浮培養(yǎng)建立Marc-145細(xì)胞系,分析無血清馴化傳代對細(xì)胞特性的影響,表明無顯著差異,可以為大規(guī)模生產(chǎn)疫苗提供基礎(chǔ)。應(yīng)丹妮等[32]以Natural killer-92 cells,NK-92自然殺傷細(xì)胞系為研究對象,通過對擴(kuò)增之后的NK-92細(xì)胞中CD3-CD56+的細(xì)胞比例和殺傷活性進(jìn)行分析,結(jié)果優(yōu)于對照組,為免疫效應(yīng)細(xì)胞無血清培養(yǎng)基的開發(fā)提供了技術(shù)支持。劉華敏等[33]以CHO-K1細(xì)胞為研究對象,將自配無血清培養(yǎng)基CHO-SFM與Sigma Ex-CELL CD CHO和Gibco CD CHO培養(yǎng)基進(jìn)行對比,表明了自配無血清培養(yǎng)基的優(yōu)越性?？妬喣鹊萚34]以無血清懸浮培養(yǎng)基M1為基礎(chǔ),對比酵母提取物(YE)、胰蛋白胨(Tyr)、大豆蛋白胨(Soy)對CHO細(xì)胞生長、周期、胞凋亡及HSA/IL2融合蛋白表達(dá)的影響,證實YE有利于細(xì)胞生長,提高細(xì)胞G1期比例,延長表達(dá)期時,從而有利于HSA/IL2表達(dá)。夏肖雪等[35]通過比較毛囊干細(xì)胞生長培養(yǎng)基中使用Knock Out血清替代物(KSR)和胎牛血清的情況,證實毛囊干細(xì)胞在無血清培養(yǎng)基中可正常生長并表達(dá)α6-整合素、角蛋白K14和P63,能夠重建有毛皮膚。

3.5 動物源性抗體替代品

單/多克隆抗體相關(guān)產(chǎn)品由于其獨有的特征,問世以來迅速應(yīng)用于醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域,據(jù)估計2016年全球抗體藥物市場份額達(dá)到了千億美元規(guī)模,其中大部分是動物源性單/多克隆抗體,作為檢驗醫(yī)學(xué)實驗室的診斷試劑,廣泛應(yīng)用于酶聯(lián)免疫吸附試驗、放射免疫分析、免疫組化和流式細(xì)胞儀等技術(shù),并很大程度上促進(jìn)了商品化試劑盒的發(fā)展,同時還作為一類重要藥物應(yīng)用于多種自身免疫疾病的臨床治療中。在這些抗體藥物的制備中,動物的大量使用必不可少,而且由于高質(zhì)量的動物源性抗體生產(chǎn)周期過長,且批量生產(chǎn)時會出現(xiàn)很多問題,因此動物源性抗體替代品,即動物友好型“抗體”試劑得到一定的發(fā)展。動物友好型“抗體”試劑作為替代品是不經(jīng)動物免疫而產(chǎn)生的抗體,通常是通過噬菌體、核糖體或酵母在體外表達(dá)來實現(xiàn)[36]。2017年,Tiede等[37]已開發(fā)出一項代替?zhèn)鹘y(tǒng)基于動物源性抗體檢驗生物分子和生命過程(如Western Blot)的Affimer技術(shù),該技術(shù)體現(xiàn)出比動物抗體更可靠的特性,并且作為人工合成品,對科研人員來說更環(huán)保,更科學(xué)合理。

3.6 低等實驗動物替代

其他脊椎和無脊椎的低等動物,在某些情況下可以作為實驗動物使用,如細(xì)菌、真菌、昆蟲、軟體動物或水生動物等,在實驗中這些低等動物能夠獲得與高等哺乳類實驗動物相近的實驗結(jié)果[38-39]。水生實驗動物的研究和應(yīng)用目前已較為成熟,其中斑馬魚、劍尾魚等已經(jīng)在發(fā)育生物學(xué)、行為學(xué)、人類疾病等方面得到廣泛應(yīng)用[40]。從基因相似度上看,斑馬魚和人類的相似度達(dá)到87%,因此使用斑馬魚開展藥物的有效性和安全性試驗,大多數(shù)的情況下得到的結(jié)果也與人體相符合[41]。我國在這方面的研究基本與國際同步開始,美國Oregon大學(xué)Streisinger G于20世紀(jì)80年代即培育成功純合子斑馬魚,而我國農(nóng)業(yè)部也于1987年對水生實驗動物開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行科技立項,并于2003年完成劍尾魚(RR-B)系的審定,成為我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的水生實驗動物品系,已經(jīng)在國內(nèi)動物疾病模型、化妝品毒性檢測、水環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)藥物安全性評價等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[42-44]。

果蠅在微量元素代謝的過程中表現(xiàn)出較高的保守型,同時果蠅體內(nèi)存在很多與哺乳動物微量元素代謝相關(guān)的同源蛋白[45],2006年果蠅就作為動物模型被用于觀察金屬離子在體內(nèi)的作用及生物毒性研究[46]。果蠅還被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病的研究中,如經(jīng)典的阿爾茨海默氏癥模型,就是通過在果蠅體內(nèi)表達(dá)AP42(amyloid P 42)多肽的途徑來制備[47]。

線蟲基因與人的同源性可以達(dá)到60%～80%,是最簡單的多細(xì)胞模型動物,由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、遺傳背景清晰、生命周期短等優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛使用在發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、藥物篩選等諸多領(lǐng)域。Leung等[48]研究認(rèn)為,線蟲在對新型化工產(chǎn)品毒性高通量快速篩查,對人群開展健康安全評價等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。Boyd等[49]使用線蟲對敵草快和亞砷酸鈉等化學(xué)品進(jìn)行毒性研究,表明線蟲模型在化學(xué)品的毒性初步篩查試驗中具有高效、經(jīng)濟(jì)很多優(yōu)勢,符合替代原則。

我國低等實驗動物的替代研究與國外同時期開展,但是受限于使用條件、便利程度、種質(zhì)資源、供應(yīng)來源等多方面原因,除斑馬魚和劍尾魚外,大多數(shù)研究成果未能在實際中得到廣泛應(yīng)用。但國外,尤其是美國對于低等實驗動物的替代使用更為成熟,具有明顯優(yōu)勢,其中俄勒岡州大學(xué)斑馬魚國際資源中心以及德克薩斯州大學(xué)劍尾魚遺傳資源中心擁有斑馬魚13161個品系,劍尾魚23種計65個品系。截至2015年,美國共有6個低等其他脊椎和無脊椎實驗動物資源中心,果蠅資源中心(Bloomington Drosophila Stock Center)、果蠅基因組學(xué)資源中心(DGRC)、線蟲遺傳資源中心(Caenorhabditis Genetics Center,CGC)、國家海兔資源中心(National Resource for Aplysia)、國家嗜熱四膜蟲資源中心(National Resource for Cephalopods)、國家蟾蜍資源中心(National Xenopus Resource Center)[4]。

4 真實毒性在動物實驗中的差異

目前在很多藥物研發(fā)中動物實驗是重要環(huán)節(jié),盡管新藥物在動物模型上的應(yīng)用都顯示有效,但由于實驗動物和人體的差異,導(dǎo)致進(jìn)入臨床實驗的藥物中有95%無法進(jìn)入市場[50]。毒性試驗傳統(tǒng)上包括動物實驗和以胎牛血清為培養(yǎng)基的細(xì)胞培養(yǎng)實驗,但有META分析研究表明,這些涉及動物實驗最終獲取的結(jié)果,與人類的生理學(xué)特性相關(guān)性并非密切相關(guān),因此導(dǎo)致不少藥物和化妝品在申請F(tuán)DA批準(zhǔn)的最后階段失敗[51]。

軟飲料、嬰兒食品、油漆、化妝品和洗發(fā)水等產(chǎn)品中含有大量化學(xué)合成物質(zhì),如防腐劑、染料、表面活性劑或其他污染物等,這些物質(zhì)的毒性主要使用兔子、大小鼠和狗等動物進(jìn)行測試。但有基因組比較研究發(fā)現(xiàn),人類和小鼠模型對不同病因引起的炎癥應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)性較差,其結(jié)果在與人類進(jìn)行對照時,結(jié)果幾乎是隨機(jī)的[52]。還有研究表明,通過對76項被高頻次引用的動物實驗方法進(jìn)行人體對照試驗,發(fā)現(xiàn)有14項(18%)自相矛盾,34項(45%)未通過測試,只有28項(37%)可以被復(fù)制[53]。

5 動物實驗的缺陷

歷史上基于動物實驗得出的結(jié)論曾造成過嚴(yán)重后果。如著名的“反應(yīng)?！笔录?反應(yīng)停即鎮(zhèn)靜劑沙利度胺,于20世紀(jì)50至60年代在全世界廣泛使用,能夠有效地阻止女性早期孕吐,但導(dǎo)致其中一些孕婦生下沒有四肢的“海豹畸形嬰兒”。而當(dāng)時幾乎應(yīng)用所有的實驗動物模型,如小鼠、大鼠、兔子、倉鼠、貓、狗、犰狳、豚鼠、豬、雪貂等對該藥物進(jìn)行了測試,結(jié)果卻顯示僅有暫時性致畸作用[54]。

抗CD28人源化單克隆抗體(TGN1412)是研發(fā)用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等自身免疫性疾病及白血病治療的藥物,應(yīng)用于小鼠、大鼠、兔子和獼猴等非人類靈長類動物上均未觀察到不良反應(yīng),但在2006年首次用于人體的Ⅰ期臨床試驗中,6名健康志愿者12～16 h內(nèi)出現(xiàn)多器官功能衰竭和彌散性血管內(nèi)凝血,24 h內(nèi)淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞耗竭的罕見嚴(yán)重不良反應(yīng)[55]。Bailey[56]觀察到大約有90種在動物實驗中成功的艾滋病毒(Human Immunodeficiency Virus,HIV)疫苗應(yīng)用于人類臨床時失敗。在帕金森疾病治療中,一些在NHPs和大鼠模型中看起來很有希望的治療方法,在人類臨床觀察中卻得不到滿意結(jié)果[57]。

當(dāng)然,實驗動物學(xué)仍然是一門不斷持續(xù)發(fā)展的科學(xué),雖然存在以上種種問題,但動物實驗在未來生命科學(xué)發(fā)展中的重要性不容忽視,如果片面否定動物實驗的作用,對生命科學(xué)研究及生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將是不可估量的損失。

6 結(jié)論

從人類文明的早期開始,動物就被用于馴化、飼養(yǎng)和研究。由于人類需要獲得解剖學(xué)、生理學(xué)、生物學(xué)等方面基礎(chǔ)知識,在這些方面動物做出過很多重要貢獻(xiàn)。隨著科學(xué)的發(fā)展,對實驗動物的使用逐漸從初級的解剖學(xué)研究轉(zhuǎn)向更高級別的研究,在現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上,得到了大量以動物實驗為基礎(chǔ)的研究結(jié)果[58]。同時,批準(zhǔn)任何藥物的臨床試驗,都需要先以實驗動物模型為基礎(chǔ),研究該種藥物在動物體內(nèi)的效應(yīng)和代謝情況,這基本成為一種共識。

20世紀(jì)是生命科學(xué)快速發(fā)展時代,但由于人們實驗動物倫理道德意識上的欠缺,導(dǎo)致在實驗的設(shè)計中,沒有過多考慮替代方案來減少或改進(jìn)實驗動物的使用,一定程度上存在著對實驗動物過度使用的情況[59]。世界范圍內(nèi)對科學(xué)研究中動物使用福利倫理的關(guān)注,使傳統(tǒng)動物實驗方法面臨巨大挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)有越來越多的實驗及診斷技術(shù)被開發(fā)出來,用以填補(bǔ)動物體內(nèi)實驗和體外實驗之間的空白,甚至不久后能夠取代相當(dāng)一部分動物實驗。在微生物學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中,已經(jīng)有越來越多的動物源性產(chǎn)品被替代。重組技術(shù)在減少動物使用方面也起著愈加重要的作用?，F(xiàn)在的藥物設(shè)計和開發(fā)更多地借助生物信息學(xué)軟件加以整理分析,用以減少風(fēng)險,防止再次出現(xiàn)藥物在動物試驗中取得成功,卻在臨床試驗中失敗的情況發(fā)生。

現(xiàn)在科學(xué)界更加關(guān)注實驗動物福利以及對實驗動物的保護(hù)問題,且多以通過發(fā)布指南、準(zhǔn)則甚至是全世界圍內(nèi)的立法形式體現(xiàn),因此基于替代(replacement)、減少(reduction)和優(yōu)化(refinement)的“3R”原則推動實驗動物替代技術(shù)進(jìn)展,將會成為人類生命科學(xué)進(jìn)步史上的一個重要標(biāo)志。