动物实验时代正在落幕，科学将走向何方？

类器官与计算机模型的进步，让部分动物实验有望被淘汰，但仍有巨大障碍亟待攻克。

多国政府已宣布计划减少小鼠等实验动物的使用。

去年11月，英国政府公布了一项大胆计划，将在部分研究领域逐步淘汰动物实验。皮肤刺激性动物实验定于今年终止，部分犬类实验则力争在2030年前大幅削减。政府政策文件写道，其长远愿景是“打造一个除特殊情况外，科学研究不再使用动物的世界”。

为何生物医学研究不能简单叫停动物实验

其他国家也在采取类似行动。去年4月，美国食品药品监督管理局（FDA）宣布计划，在3–5年内让动物实验在药物安全性与毒性测试中从“常规”变为“例外”。同月，美国国立卫生研究院（NIH）推出一项举措，减少其资助项目中的动物使用。今年，欧盟委员会计划发布一份路线图，终止化学品安全评估中的动物实验。

伦理与动物福利问题长期推动着科研中动物使用的缩减，而如今替代科研方法的飞速发展正加速这一转变。这些“新方法学”（NAMs）包括芯片器官、被称为类器官的三维组织培养物，以及人工智能系统等计算模型。英国推广动物实验替代组织“动物免费研究”对七种疾病相关研究的分析显示，2006至2022年间，仅使用新方法学的生物医学论文数量从约2.5万篇增至10万篇（见“替代方法快速崛起”）。中国也在该领域大力投入：2024年启动“人体器官病理生理模拟系统”专项，投入26.4亿元人民币（约3.82亿美元）用于新方法学研发。

来源：参考文献1

支持者表示，新方法学在模拟人体生理、预测新药安全性与有效性方面，可能优于动物模型。芯片器官与类器官通常采用人类细胞构建，计算模型也可基于人类数据设计。美国马萨诸塞州波士顿怀斯生物启发工程研究所生物工程师、芯片器官生物技术公司Emulate联合创始人唐纳德·英格伯表示，向替代模型转型“早已该进行”。

但科学家指出，新方法学距离完全取代研究中的动物实验仍有很长的路要走。部分生物系统过于复杂且难以预测，离开动物便无法研究。许多替代方法尚未完成验证——即证明其能准确、可重复地模拟目标系统，达到药物与化学品监管机构的要求。“并非所有这些替代模型都已准备好投入主流应用。”英格伯说。

使用量持续下降

数十年来，科研中替代、减少、优化动物使用（即“3R原则”）的力度不断加大，部分地区动物使用量已开始下降。**英国数据**显示，动物科学实验数量从2015年的414万次降至2024年的264万次（见“数量下降”）。2018至2022年，欧盟与挪威用于研究和测试的动物总数下降5%（美国因法律不要求上报大鼠、小鼠与鱼类数据，具体数量难以统计）。

英国2024年活体动物科学实验年度统计（英国内政部，2025）

在英国，约76%的动物实验用于基础与应用研究：了解生物体、构建疾病模型、开发新疗法（见“动物实验用途”）。另有22%属于监管程序——主要是新药及其他化学品上市前的毒性与安全性测试。所有实验中约67%使用小鼠或大鼠。

英国2024年活体动物科学实验年度统计（英国内政部，2025）

但这些动物模型存在局限，尤其在理解与干预人类疾病方面。临床前测试中在动物模型上有效的药物，在人体中往往无效。这也是约86%的试验药物在临床试验中失败的主要原因之一，也促使众多研究者专注开发替代方法。

以败血症为例，这是一种严重的感染反应。研究者已开发出100多种败血症疗法，在啮齿类动物模型中效果显著，却在临床试验中全部失效。部分原因在于人类与啮齿类动物免疫系统的差异，以及难以在基因相似、环境统一的近交系小鼠中模拟因人而异的复杂病症。

研究者越来越看好新方法学的应用前景。美国加利福尼亚州斯坦福大学心脏病学家约瑟夫·吴团队开发出一种被称为“培养皿临床试验”的方法：从不同患者体内获取诱导多能干细胞，培育出细胞或类器官，再测试候选药物能否改善“疾病模型”的功能。

动物实验替代方法是未来——期刊、资助方与科学家应尽早接纳

2020年的一项研究中，约瑟夫·吴团队从携带可致常见心力衰竭突变基因的家族成员体内提取诱导多能干细胞，分化为血管内皮细胞。利用这些细胞，研究者筛选出一种可改善两名突变家族成员心血管功能的药物，有望推广使用。约瑟夫·吴表示，将该方法融入药物研发流程，可在动物实验前判断药物有效性，减少动物使用，提高临床试验成功率。

研究显示，部分新方法学效果与动物实验相当甚至更优。Emulate公司开发出名为“肝脏芯片”的芯片器官系统，大小如U盘，人类肝细胞在微型流体通道中生长，用于测试候选药物是否会造成肝损伤。2022年该公司研究显示，芯片可87%准确识别已知致肝损伤化合物，且不会误判无害物质为有毒。在15种曾被动物模型判定安全、进入临床试验却造成肝损伤的药物中，芯片成功检出12种。

动物研究并非永远最优：研究者应探索替代方案

2024年，肝脏芯片被纳入FDA新药创新科学与技术方法试点项目，支持药物研发工具升级。若获批，药企可用该芯片替代动物模型进行毒性测试，并将数据作为药物上市申请材料。

但这类芯片高度专一化。美国西雅图华盛顿大学毒理学家爱德华·凯利团队开发的肾脏芯片可模拟人类急性肾损伤部分特征，正被考虑纳入上述试点项目。但他表示，该设备仅包含肾脏二十多种细胞中的一种。“这是一种还原论方法，能让我们更细致地研究这些细胞，但要理解整个人类肾脏的运作，仍需依赖动物实验。”

类器官：另一种选择

动物实验的另一大热门替代方案是类器官——可还原真实组织或器官多项特征的三维活体系统。

过去十余年，研究者已构建出多种可模拟癌症、囊性纤维化等遗传病的人类疾病类器官，并用于药物筛选与毒性测试。2021年一项研究中，研究者用诱导多能干细胞培育人类肝脏类器官，打造出毒性筛选工具，可检测抑制类器官胆汁转运与线粒体功能的物质。该方法在238种上市药物测试中准确率极高。

人类大脑模型等类器官有望减少科研动物使用。图片

第三种替代方案是计算模型，即研究者在计算机中测试药物作用。2021年，一支团队开发出测试化合物是否引发皮肤致敏（人体过敏反应）的工具。这是工业、家用化学品与药物安全测试的标准环节，传统上需进行动物实验。团队基于过往人体、小鼠与实验室研究中约430种化学品数据构建虚拟测试，可精准识别仅有1%概率引发皮肤反应的化学品。该工具去年被经济合作与发展组织认可为皮肤过敏测试方法，该组织负责制定国际通用化学品安全测试指南。

研究者也寄望于人工智能。FDA、欧洲药品管理局（EMA）等多家监管机构正推动将人工智能工具融入化学品或药物安全评估流程。

实验室培育的微型心脏、肺与肝脏可自主生成血管

2023年，美国阿肯色州杰斐逊市FDA国家毒理学研究中心研究者利用8000多只大鼠、138种化合物的临床数据，构建生成式人工智能模型AnimalGAN。在涉及10万只虚拟大鼠的模拟实验中，模型准确排序了三种结构相似药物的肝脏毒性。该方法现已纳入FDA毒理学人工智能工具推广项目。

制药行业正加大对新方法学的投入。瑞士巴塞尔罗氏制药全球药学主管玛丽安娜·曼彻斯特表示，公司在肿瘤学、免疫学等领域越来越多使用新方法学测试候选药物。2023年，罗氏成立人类生物学研究所，研发类器官等人体模型系统以加速药物研发。曼彻斯特称，美国与欧洲多数新药上市申请仍强制要求动物数据，但罗氏已获得12次向FDA、EMA等监管机构提交新方法学数据的豁免权限。“监管机构对这些替代方案的接受度正大幅提升。”

分阶段推进

2025年英美政府发布的多项声明，均承诺加速新方法学的研发与应用。英国政府策略参照其他政策与贸易组织，将动物实验分为三类并制定替代目标。

第一类是已有成熟替代方案、可快速淘汰的实验，例如今年即将终止、改用计算、细胞或化学测试的皮肤刺激性实验。

第二类是替代难度较大、需更长时间的实验，包括分析药物在体内吸收、分布、代谢与排泄的药代动力学研究。英国政府表示，2030年前将犬类与非人灵长类相关实验至少削减35%。第三类是暂无成熟替代方案的方法，目前仅一例：环境测试中用鱼类检测内分泌干扰物（目标2035年前开发替代方法）。

这种人工智能方法或将大幅加速新药研发

作为4月声明的一部分，FDA发布减少、优化、替代药物实验动物的路线图。项目初期将聚焦单克隆抗体测试，因路线图指出，动物实验成本高昂，且难以预测人体对这类药物的反应。另一方面，NIH于去年7月宣布，将不再发布“仅聚焦人类疾病动物模型”的资助项目，以推动新方法学研究。

新方法学在药物与化学品测试中应用的最大障碍之一是验证。研究者通常需向欧盟动物实验替代方法参考实验室、美国替代方法验证机构间协调委员会等国内外验证机构提交数据，证明模型准确可重复，供监管机构判断是否可用于审批。

但伦敦国家动物实验替代、减少与优化研究中心新方法学策略主管娜塔莉·伯登表示，这一过程成本高、耗力大，且不同方法所需验证研究各不相同。

人工智能可加速药物研发——前提是数据准确

英美新策略均强调加速验证，让更多替代方法数据获得监管认可。英国政府宣布将成立替代方法验证中心，联动实验室、政策制定者与监管机构。去年9月，NIH宣布建立验证与认证网络，加速新方法学监管审批，并投入8700万美元建设标准化类器官模型研发中心。

美国加州大学戴维斯分校遗传学家、新方法学测试中心主任肯特·劳埃德表示，新方法学的普及让严格验证变得至关重要。“除非我们用与动物模型同等的严谨性与透明度要求新方法学，否则可能带来危害。”

加速普及

众多研究者对推动动物替代方法普及表示欢迎，认为这些技术推广速度过慢。“多年来，人们一直默认动物实验是首选。”英国阿伯丁大学癌症生物学家瓦莱丽·斯皮尔斯说。斯皮尔斯、约瑟夫·吴等科学家对转型缓慢感到无奈，认为同行评审与资助方仍更青睐包含动物实验的论文或项目申请。

微型结肠与大脑类器官揭示癌症等疾病机制

但科学家也存在担忧。劳埃德称，部分资助方与监管机构的声明可能误导公众，夸大新方法学的成熟度。他补充道，药物临床试验失败并非仅因动物模型不足，还包括动物实验样本量小、设计缺陷等导致药物效果被误判——这些问题新方法学同样可能存在。“我担心，用新方法学研发的药物，临床试验失败率会和动物模型一样高。”

研究者表示，在可预见的未来，部分动物实验仍不可或缺。伦敦弗朗西斯·克里克研究所生物学家罗宾·洛弗尔-巴奇称，拥有复杂血管神经网络的完整器官、相互作用的内分泌与生殖系统、组织衰老等生物系统，难以在类器官或芯片器官中重现与研究。

英国巴斯大学神经药理学家萨拉·贝利表示，人类行为与认知目前基本无法在培养皿中模拟。谈及破解生物学的复杂性，她说：“在基础发现科学中，我们仍需在未来一段时间内继续使用动物。”