推进我国实验动物福利技术的研究和应用*

2021-01-25刘晓宇卢选成鹿双双贺争鸣

实验动物科学 2021年2期

刘晓宇卢选成鹿双双贺争鸣

(1.中国疾病预防控制中心，北京 102206)(2.中国食品药品检定研究院，北京 100050)

经过近30年的发展，实验动物福利理念在我国科研领域已得到广泛认同，实验动物福利伦理审查制度已初步建立，福利相关的法规和标准也陆续出台。因此，有些实验动物从业人员和科研人员认为我国实验动物福利工作已经做得很好。原因有两点：一、国内人们对福利的基本理念由抵触、质疑逐步转变为认同；二、由于伦理审查制度的建立，我们在国际合作课题和学术论文发表过程中遇到的阻力逐步减弱。这种看法只关注了表面现象而忽视了更深层次的问题，即发展实验动物福利的最终目的是否在我们的实际工作中已经达到？尽管上述进步的确具有突破性的意义，但说“很好”还为时过早。笔者认为，更客观的说法是“促进我国实验动物福利发展的环境已经形成”。

如何利用目前良好的环境来发展我国实验动物福利工作是管理者、实验动物从业人员、科研人员及其他相关人员在内所有人面临的重要课题。实验动物福利是涉及多学科和多领域的科学问题，美国实验动物医学学会(ACLAM)《实验动物医学》(第三版)一书设立专门章节讨论“实验动物福利”，主要内容可归纳为以下四个方面：从历史和哲学角度探讨动物福利、保障实验动物福利的法律法规及指南规范、围绕“3R”原则展开的技术介绍和实验动物福利学的发展历程和研究方法[1]。研读该章节内容后笔者最深的体会是：发展实验动物福利技术是达成实验动物福利最终目的的主要途径，但该工作在我国还未被充分重视。需提出的是，笔者认为实验动物福利技术可分为所有能减少动物痛苦的技术(包括替代动物实验的新技术)和评估动物痛苦的技术两大类。

本文将从为什么要推进实验动物福利技术、从哪些方面推进实验动物福利技术及如何推进实验动物福利技术三方面进行分析和讨论，以期为有志于推动我国实验动物福利工作的各领域同仁提供新的视角和有益参考。

1 推进实验动物福利技术的原因

1.1 通过技术的应用，动物福利才可能提高

《实验动物医学》一书中明确提出“尽管各国众多正式文件都一再强调‘3R’原则，为什么人们还是认为‘3R’原则并未被很好实施呢？”的疑问。在我国也是类似的情况，尽管所开展的研究已通过实验动物福利伦理审查，但动物仍未获得本应获得的“福利”。

具体来看，如下问答见于多数伦理审查报告中，问：“为什么必须使用动物而不用非动物替代方法？”答：“因为针对……研究，动物实验是经典方法，无其他替代方法，故必须用动物”；问：“减少动物用量所采用的措施？”答：“本研究分x组，每组x只动物，为统计需要这已是最少数量”；问：“如何减少实验中动物的痛苦？”答：“手术过程中对动物实施麻醉”。以上一问一答在形式上满足了要求，但实际上忽视了“问”原本关注的核心问题，即技术问题，包括：哪里可以查到替代方法？有哪些替代方法？替代方法的优劣势？采用哪种统计方法？样本量如何计算？造成痛苦的环节有哪些？通过什么方法减少饲养和运输中的痛苦？等。

针对上段书中提出的疑问，Graham等[2]通过调查给出的答案是“IACUC和科研人员并未充分理解‘3R’原则”。笔者认为，答案是“并未完全了解 ‘3R’原则背后可减少痛苦动物和减少动物痛苦的技术”。简言之，第一条原因是在实际研究中只有掌握和应用福利技术才能减轻动物的痛苦。

1.2 推动动物福利技术本身就是推动科技发展

因为动物福利技术本身是科学技术的一部分，所以推动动物福利技术就是推动科技发展。而如前所述，发展实验动物福利的最终目的就是促进科技的进步。故很容易理解，推动科技发展就是第二个要推进实验动物福利技术的原因。

例如，人体器官芯片技术，是指一种在载玻片大小芯片上构建的器官生理微系统[3]，该技术同时也是一种动物实验的替代方法。该技术在2016年被达沃斯世界经济论坛列为“十大新兴技术”之一。目前，多家国际医药巨头已着手器官芯片的体外药物研发工作，可以预测该技术在未来将会使生物医药研究方式发生革命性的变化。该技术在我国发展遇到的挑战有：①新药研发与药物安全性评价的政策与技术规范对新技术认可和采纳的缺位，该项新技术研究还未纳入国家科研体系。②研究芯片技术的人员与潜在可应用该技术进行新药前期研发的人员(也是目前大量开展动物实验的人员)之间缺乏沟通。如果实验动物行业人员能将其作为重要的替代方法加以重视和推介，借助“动物福利技术或替代技术”的平台促进两者的合作，则可一方面落实“替代”原则，另一方面促进该新技术的发展和应用。也就是说，“动物福利技术”可作为抓手，切实推动该项新技术的大力发展。

1.3 带动实验动物相关产业发展

无论是新的替代方法，还是动物饲养、实验操作过程中的优化方法，其中涉及的动物福利技术会带来诸多新产品的问世，由此可推动我国相关产业发展，给后者不断带来新活力。

以实验动物环境丰荣产品为例。丰荣是指为标准化实验动物的生活环境添加额外元素，构建相对复杂的生活空间以满足动物玩耍、探索和躲避的天性，相关产品包括筑巢材料和玩具等。该理念和做法刚引入国内时，丰荣产品只能从国外购买，因采购手续烦琐、货期长并且价格高等原因而限制了使用。随着我国实验动物福利相关法规和标准逐步完善，丰荣产品需求越来越大，近年来市场上也逐渐出现国产丰荣产品的身影，呈现出供需良性循环的局面[4]。我国是制造大国，在人力和技术上都具备优势，只要加强产品研发并在材料和工艺上精益求精，国产丰荣产品将在国内和国际市场中占据更大份额和显示更强的竞争力。

同理，随着实验动物福利的发展，相关产品的种类和需求必然会随之增多增大。我国企业需用发展的眼光看待这一趋势，重视基础研发和产品细节，把握机遇参与到推动实验动物福利技术发展的事业中。

2 实验动物福利技术介绍

如前所述，实验动物福利技术可分为用于减少动物痛苦的技术和评估实验动物福利的技术，减少动物痛苦的技术将以 “替代、减少和优化”为框架进行介绍；最后介绍评估“以上方法是否真的减轻了动物痛苦？”的方法。由于现代技术发展迅速，故本文以举例的方式介绍其中部分技术。

2.1 替代技术

“替代”是指使用低等级动物替代高级动物，或不使用动物而采用其它方法达到与动物实验相同的目的技术方法。传统替代方法是为替代动物实验而被开发的，如替代兔眼刺激实验的牛角膜混浊和渗透性试验(BCOP)；现代研发的替代方法主要是应用先进技术研究以往只能通过动物实验研究的问题，包括高通量技术、人体器官芯片技术和器官3D打印技术等。下面着重介绍具有替代某一大类型动物实验潜力的替代技术。

2.1.1人体器官芯片：人体器官芯片是利用微加工技术在微流控芯片上制造出能够模拟人类器官主要功能的仿生系统[5]。目前，表皮、肌肉骨骼、神经、呼吸、循环、胃肠、生殖、泌尿、内分泌和免疫系统的器官芯片均已有商业化产品。人体芯片能真实反映人体情况，在新药筛选方面比动物实验更特异、更有效。人体芯片技术能模拟器官的生理特性和细胞之间的相互作用，阐明组织对化合物的反应机制，可实现在类似人体组织中检测新药安全性和评价功效，更好地开发疫苗、生物产品和新药[6]。

2.1.2计算机模拟技术：计算机模拟技术是利用计算机建立生理、生化、病理和毒理过程的数学模型，根据机体各项生理参数、药物的化学特性和代谢潜力，对药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄/毒性等性质做出预测[7]。该技术在毒理学安全性评估中已被广泛运用。

2.1.3模型技术：模型、道具和机械模拟器是一类仿真教具，可对真实事物或过程进行虚拟展示，用于辅助教学。用于医学教学中，模型技术是极佳的替代方法，可在教学中用于代替数量巨大的实验动物。如国际上采用的仿真拟人TraumaMan系统，它是与人有相同解剖结构、有类似的皮肤、组织、内部器官及骨骼的模拟人，同时具备呼吸、血液循环等人体基本功能。Gala等[8]调查表明在创伤高级生命支持(ATLS)操作培训中，由于TraumaMan系统更接近真实病人，培训效果明显优于使用动物的效果。并且学校仅作一次性投资，不必每次支付动物费用，整体考虑更为经济。目前，我国也有厂家生产用于人工呼吸培训的模拟人。

2.2 “减少”相关技术

“减少”是指使用科学的方法减少实验动物的使用数量。常见用于“减少”的方法有数据统计分析、应用高质量动物、实验动物重复使用和实验操作规范化等，以上方法在此不再赘述。下面主要介绍两项易被忽视但对减少动物数量又极为重要的技术。

2.2.1实验数据共享，从已有研究获得结论：从整体来看，“减少”依赖于全社会的科研数据资源共享，避免重复性研究。我国亟待建设针对动物实验数据和替代方法的专业数据库，供科研人员查询、交流和共享数据。除此之外，福利伦理委员会成员和科研人员需要了解，很多情况下，某项研究目标可通过整理分析已报道的文献得到。循证医学中常用的“系统综述法”就是可利用的工具，适用于动物实验研究[9]。

2.2.2精细化管理，科学化繁育，减少动物“浪费”：针对动物生产尤其是转基因动物生产，“减少”依赖于精细化管理和科学化繁育。对我国2013—2015年实验动物生产现状调查结果显示：实验动物生产供应得到满足，部分品种的生产量供大于求[10]。满足需求固然好，但“过剩”的情况须引起足够重视。我国应进一步完善动物生产、供应和需求的信息网络，加强信息共享，力求达到动物需求与供应的基本平衡。动物生产机构应重视市场反馈，对动物生产进行精细化管理，以达到减少动物“浪费”的目的。

基因修饰动物较其他同种动物繁殖慢且效率低。实际生产中，往往为了繁殖需求量相对较少的动物而扩繁、饲养十几倍乃至几十倍数量的动物，这有悖于“减少”原则。这些对得到实验结果无直接作用的动物往往直接被安乐死，无疑是一种“浪费”[11]。故发展基因修饰动物科学育种、鉴定和保种技术至关重要。

2.3 优化相关的技术

“优化”是指对必须使用的实验动物，应尽量减低非人道方法的使用频率或危害程度。贯穿动物实验各个环节都需考虑“优化”原则，包括改善饲养和运输条件、优化实验方案、优化操作技术和安乐死等。下面介绍其中几项重要技术。

2.3.1环境丰荣：环境丰荣的核心是为动物提供表达天性所需要的条件，如对牙齿终生生长的动物，研发和使用供其磨牙的玩具；对有筑巢习性的动物，提供纸卷、纸片等筑巢材料；对爱运动的犬类，提供活动空间和适合犬的运动器械。梁磊等[12]研究表明，在小鼠繁殖笼内添加丰荣玩具，一方面可有效提高亲代鼠交配行为，提高繁育能力；另一方面能提升新生鼠生长相关的各项指标。如前所述，实验动物丰荣产品可形成产业化规模，研发动物喜欢的丰荣物品，选择无毒无害的材质生产丰荣物品，建立适用于实验动物丰荣目的、具备高技术含量的国产品牌。

2.3.2麻醉：是指通过药物对动物产生制动、镇静和镇痛作用，以减轻动物的痛苦，并利于实验开展的方法。麻醉是一项专业性很强的技术，麻醉剂、剂量和用药途径选取不当都会造成麻醉或整个实验的失败。故研究麻醉的适用性、用法用量及可能出现的意外和处理措施，避免因麻醉导致动物死亡及对观察指标和实验结果的产生影响，是一项很基础但如何强调也不为过的工作。

2.3.3人道终点和安乐死：前者是指考虑人道对待动物的要求和实验要求，合理终止动物实验的时机；后者是指以迅速造成动物意识丧失而致身体、心理痛苦最小之处死动物的方法[13]。人道终点的选择与确定、动物疼痛和痛苦的评价标准、不同类型研究的人道终点指标都是需要研究的技术内容[14]。

安乐死的成功实施不仅在于选对方法，还在于实施过程中满足方法使用的全部条件[15]。如CO2安乐死法，并不是吸入CO2气体导致动物死亡就可称为安乐死，其过程必须满足气体置换率、气体纯度等一系列条件。目前，我国实验动物安乐死方法的选择主要是参考国际组织和有关国家的标准和要求，如何在安乐死技术发展过程中体现中国的研究成果值得重视。

2.3.4实验指标采集技术：实验指标的采集是动物实验中最常见操作，但传统的采集方法往往具有创伤性，会给动物造成或多或少的痛苦。

以下几项新技术已作为“优化”方法运用于实际研究中：①遥测技术可免除对动物的保定，大大降低了因固定而对动物产生的应激，所有生理信号可被实时监测、记录和分析，保证动物实验结果的真实、可靠[7]。②影像学技术可无创观测动物模型肿瘤的形成情况，不需处死动物，在实验过程中也不会给动物造成痛苦，符合动物实验“3R”原则，是一项高科技的动物实验优化技术。③通过给动物植入电子芯片，以非接触方式通过计算机管理，应用射频识别信号系统，实现动物身份快速自动识别、自动捕捉、数据读写、电子档案信息管理、数据远程传输的目的[16]。一方面，可通过芯片采集动物体温等生理数据，减少对动物的伤害和引起的应激反应；另一方面，可满足对实验动物个体的唯一标识和质量追溯要求，可查找到动物个体从出生到死亡整个生命周期所有信息，满足实验动物信息化管理需求，实现实验动物科学监管的目的[17]。

2.3.5动物实验微创技术：在动物模型的建立过程中，经常要采用包括开胸、开颅、开腹等外科手术操作，造成动物的创伤、疼痛、出血和炎症，这些反应既会干扰动物模型的应用，也会引起动物福利伦理的问题。随着微创技术的发展，应将运用于人微创手术的内镜技术、腔镜技术、介入技术等应用在动物模型建立，既能降低对动物福利的损害，也保证了与人类手术的一致性[7]。

2.3.6实验动物运输环节的福利技术：实验动物运输会引起动物不同程度的应激反应[18]，导致动物生理生化指标的改变、免疫功能的抑制，严重时还会造成动物死亡。通过改进运输相关技术可避免动物在运输中受到生理性或心理性的伤害。

无论采用何种运输方式，运输过程都具有不确定性大、可控性小的特点。运输笼具是缓冲各种变化、保护动物的最后防线，故应研发适用于不同动物运输要求的高水平笼具。具体要求包括应稳固、耐冲击，设有符合动物特点的上锁装置，防止动物逃逸或其他动物进入；在紧急情况下，应便于迅速打开笼具移出动物；应能防止外部微生物对动物的污染；具备有效方式解决动物排泄物造成的污染。在陆路运输中，车辆运输除应满足专人负责、定期查看实验动物状况，运输前后应清洁并消毒车辆等管理要求之外，对车辆本身也有一定的技术要求，主要包括车辆防震、防滑性能强；具备动物所必须的光照；车厢具备独立的空调系统，防止恶劣天气对动物健康的影响；安装导航定位系统；具备车厢内环境参数监控设备等。

2.4 评估实验动物福利的技术

以上“优化”技术的实施均为减少动物遭受的痛苦，但“事实是否如此？”，我们需要通过实验动物福利评估技术做出客观的评价。目前，关于动物福利较为一致的观点是动物与其环境协调一致的心理和生理健康的状态。“不会说”这个显而易见的事实，使得判断动物心理和生理健康困难重重。20世纪中期，动物行为学和神经科学的研究成果获得科学界的认可，并为我们了解动物的感受提供了途径。

2.4.1评估量表：动物的心理状态不易直接测量，通过一系列指标相互佐证、共同反映动物的状态才是最佳的方法。这一系列指标往往被制作为评估量表，以期对动物状态做出客观的、标准化的评价。

皮质醇浓度常被用于反映动物受刺激或承受压力的程度，但单独测量并不能达到目的，因为良性刺激和恶性刺激都会提高皮质醇浓度。在实际工作中，会在同一张评估量表中要求观测和记录动物体质量、进食量、症状(如驼背、被毛粗糙)和行为(如刻板行为、易怒或昏睡)等，并可赋值打分。读者可根据需要，查找适用于不同物种的评估量表。

2.4.2行为学观察：动物行为学研究可通过比较动物在自然环境中和圈养环境中动物行为的差异，来衡量什么是对动物“有好处”的；还可通过观察正常动物和待观察动物的行为差异，判断动物心理和生理状态是否有异常。被圈养的动物往往会因环境单调、缺少同伴或承受压力，而表现出反复踱步、摆头或梳理毛发等刻板行为。针对实验动物，可通过观察动物的活动范围、步态、采食行为和筑巢行为等来评估其福利[19-20]。例如，现在有一种在IVC基础上发展而来的数字化独立通气笼具(DVC)，可通过安装在盒底的感应器记录和分析动物的活动范围、频率和步态等参数，这些参数可用于评估动物当前的生理状态或福利状态。

2.4.3偏好实验和厌恶实验：偏好实验衡量的是动物为获得某种资源而愿意付出努力的程度。观察动物的偏好让人们知道如何改善动物福利，如通过管道连通的两个笼盒内放置不同垫料或玩具等，观察动物喜欢去哪个笼盒。厌恶实验衡量的是动物为避免某种事件而付出代价的程度。例如，用于研究小鼠CO2安乐死方法而开展的厌恶实验，正常情况下与有光的明室相比小鼠更喜欢待在暗室，但将暗室充入CO2气体，小鼠宁可选择进入明室也不再待在暗室，该实验说明小鼠不喜欢CO2[21]。

以上方法常常联合使用，用于评估实验动物的福利状态。