推進我國實驗動物福利技術的研究和應用*

劉曉宇 盧選成 鹿雙雙 賀爭鳴

(1.中國疾病預防控制中心，北京 102206)(2.中國食品藥品檢定研究院，北京 100050)

經過近30年的發展，實驗動物福利理念在我國科研領域已得到廣泛認同，實驗動物福利倫理審查制度已初步建立，福利相關的法規和標準也陸續出臺。因此，有些實驗動物從業人員和科研人員認為我國實驗動物福利工作已經做得很好。原因有兩點：一、國內人們對福利的基本理念由抵觸、質疑逐步轉變為認同；二、由于倫理審查制度的建立，我們在國際合作課題和學術論文發表過程中遇到的阻力逐步減弱。這種看法只關注了表面現象而忽視了更深層次的問題，即發展實驗動物福利的最終目的是否在我們的實際工作中已經達到？盡管上述進步的確具有突破性的意義，但說“很好”還為時過早。筆者認為，更客觀的說法是“促進我國實驗動物福利發展的環境已經形成”。

如何利用目前良好的環境來發展我國實驗動物福利工作是管理者、實驗動物從業人員、科研人員及其他相關人員在內所有人面臨的重要課題。實驗動物福利是涉及多學科和多領域的科學問題，美國實驗動物醫學學會(ACLAM)《實驗動物醫學》(第三版)一書設立專門章節討論“實驗動物福利”，主要內容可歸納為以下四個方面：從歷史和哲學角度探討動物福利、保障實驗動物福利的法律法規及指南規范、圍繞“3R”原則展開的技術介紹和實驗動物福利學的發展歷程和研究方法[1]。研讀該章節內容后筆者最深的體會是：發展實驗動物福利技術是達成實驗動物福利最終目的的主要途徑，但該工作在我國還未被充分重視。需提出的是，筆者認為實驗動物福利技術可分為所有能減少動物痛苦的技術(包括替代動物實驗的新技術)和評估動物痛苦的技術兩大類。

本文將從為什么要推進實驗動物福利技術、從哪些方面推進實驗動物福利技術及如何推進實驗動物福利技術三方面進行分析和討論，以期為有志于推動我國實驗動物福利工作的各領域同仁提供新的視角和有益參考。

1 推進實驗動物福利技術的原因

1.1 通過技術的應用，動物福利才可能提高

《實驗動物醫學》一書中明確提出“盡管各國眾多正式文件都一再強調‘3R’原則，為什么人們還是認為‘3R’原則并未被很好實施呢？”的疑問。在我國也是類似的情況，盡管所開展的研究已通過實驗動物福利倫理審查，但動物仍未獲得本應獲得的“福利”。

具體來看，如下問答見于多數倫理審查報告中，問：“為什么必須使用動物而不用非動物替代方法？”答：“因為針對……研究，動物實驗是經典方法，無其他替代方法，故必須用動物”；問：“減少動物用量所采用的措施？”答：“本研究分x組，每組x只動物，為統計需要這已是最少數量”；問：“如何減少實驗中動物的痛苦？”答：“手術過程中對動物實施麻醉”。以上一問一答在形式上滿足了要求，但實際上忽視了“問”原本關注的核心問題，即技術問題，包括：哪里可以查到替代方法？有哪些替代方法？替代方法的優劣勢？采用哪種統計方法？樣本量如何計算？造成痛苦的環節有哪些？通過什么方法減少飼養和運輸中的痛苦？等。

針對上段書中提出的疑問，Graham等[2]通過調查給出的答案是“IACUC和科研人員并未充分理解‘3R’原則”。筆者認為，答案是“并未完全了解 ‘3R’原則背后可減少痛苦動物和減少動物痛苦的技術”。簡言之，第一條原因是在實際研究中只有掌握和應用福利技術才能減輕動物的痛苦。

1.2 推動動物福利技術本身就是推動科技發展

因為動物福利技術本身是科學技術的一部分，所以推動動物福利技術就是推動科技發展。而如前所述，發展實驗動物福利的最終目的就是促進科技的進步。故很容易理解，推動科技發展就是第二個要推進實驗動物福利技術的原因。

例如，人體器官芯片技術，是指一種在載玻片大小芯片上構建的器官生理微系統[3]，該技術同時也是一種動物實驗的替代方法。該技術在2016年被達沃斯世界經濟論壇列為“十大新興技術”之一。目前，多家國際醫藥巨頭已著手器官芯片的體外藥物研發工作，可以預測該技術在未來將會使生物醫藥研究方式發生革命性的變化。該技術在我國發展遇到的挑戰有：①新藥研發與藥物安全性評價的政策與技術規范對新技術認可和采納的缺位，該項新技術研究還未納入國家科研體系。②研究芯片技術的人員與潛在可應用該技術進行新藥前期研發的人員(也是目前大量開展動物實驗的人員)之間缺乏溝通。如果實驗動物行業人員能將其作為重要的替代方法加以重視和推介，借助“動物福利技術或替代技術”的平臺促進兩者的合作，則可一方面落實“替代”原則，另一方面促進該新技術的發展和應用。也就是說，“動物福利技術”可作為抓手，切實推動該項新技術的大力發展。

1.3 帶動實驗動物相關產業發展

無論是新的替代方法，還是動物飼養、實驗操作過程中的優化方法，其中涉及的動物福利技術會帶來諸多新產品的問世，由此可推動我國相關產業發展，給后者不斷帶來新活力。

以實驗動物環境豐榮產品為例。豐榮是指為標準化實驗動物的生活環境添加額外元素，構建相對復雜的生活空間以滿足動物玩耍、探索和躲避的天性，相關產品包括筑巢材料和玩具等。該理念和做法剛引入國內時，豐榮產品只能從國外購買，因采購手續煩瑣、貨期長并且價格高等原因而限制了使用。隨著我國實驗動物福利相關法規和標準逐步完善，豐榮產品需求越來越大，近年來市場上也逐漸出現國產豐榮產品的身影，呈現出供需良性循環的局面[4]。我國是制造大國，在人力和技術上都具備優勢，只要加強產品研發并在材料和工藝上精益求精，國產豐榮產品將在國內和國際市場中占據更大份額和顯示更強的競爭力。

同理，隨著實驗動物福利的發展，相關產品的種類和需求必然會隨之增多增大。我國企業需用發展的眼光看待這一趨勢，重視基礎研發和產品細節，把握機遇參與到推動實驗動物福利技術發展的事業中。

2 實驗動物福利技術介紹

如前所述，實驗動物福利技術可分為用于減少動物痛苦的技術和評估實驗動物福利的技術，減少動物痛苦的技術將以 “替代、減少和優化”為框架進行介紹；最后介紹評估“以上方法是否真的減輕了動物痛苦？”的方法。由于現代技術發展迅速，故本文以舉例的方式介紹其中部分技術。

2.1 替代技術

“替代”是指使用低等級動物替代高級動物，或不使用動物而采用其它方法達到與動物實驗相同的目的技術方法。傳統替代方法是為替代動物實驗而被開發的，如替代兔眼刺激實驗的牛角膜混濁和滲透性試驗(BCOP)；現代研發的替代方法主要是應用先進技術研究以往只能通過動物實驗研究的問題，包括高通量技術、人體器官芯片技術和器官3D打印技術等。下面著重介紹具有替代某一大類型動物實驗潛力的替代技術。

2.1.1人體器官芯片：人體器官芯片是利用微加工技術在微流控芯片上制造出能夠模擬人類器官主要功能的仿生系統[5]。目前，表皮、肌肉骨骼、神經、呼吸、循環、胃腸、生殖、泌尿、內分泌和免疫系統的器官芯片均已有商業化產品。人體芯片能真實反映人體情況，在新藥篩選方面比動物實驗更特異、更有效。人體芯片技術能模擬器官的生理特性和細胞之間的相互作用，闡明組織對化合物的反應機制，可實現在類似人體組織中檢測新藥安全性和評價功效，更好地開發疫苗、生物產品和新藥[6]。

2.1.2計算機模擬技術：計算機模擬技術是利用計算機建立生理、生化、病理和毒理過程的數學模型，根據機體各項生理參數、藥物的化學特性和代謝潛力，對藥物在體內的吸收、分布、代謝和排泄/毒性等性質做出預測[7]。該技術在毒理學安全性評估中已被廣泛運用。

2.1.3模型技術：模型、道具和機械模擬器是一類仿真教具，可對真實事物或過程進行虛擬展示，用于輔助教學。用于醫學教學中，模型技術是極佳的替代方法，可在教學中用于代替數量巨大的實驗動物。如國際上采用的仿真擬人TraumaMan系統，它是與人有相同解剖結構、有類似的皮膚、組織、內部器官及骨骼的模擬人，同時具備呼吸、血液循環等人體基本功能。Gala等[8]調查表明在創傷高級生命支持(ATLS)操作培訓中，由于TraumaMan系統更接近真實病人，培訓效果明顯優于使用動物的效果。并且學校僅作一次性投資，不必每次支付動物費用，整體考慮更為經濟。目前，我國也有廠家生產用于人工呼吸培訓的模擬人。

2.2 “減少”相關技術

“減少”是指使用科學的方法減少實驗動物的使用數量。常見用于“減少”的方法有數據統計分析、應用高質量動物、實驗動物重復使用和實驗操作規范化等，以上方法在此不再贅述。下面主要介紹兩項易被忽視但對減少動物數量又極為重要的技術。

2.2.1實驗數據共享，從已有研究獲得結論：從整體來看，“減少”依賴于全社會的科研數據資源共享，避免重復性研究。我國亟待建設針對動物實驗數據和替代方法的專業數據庫，供科研人員查詢、交流和共享數據。除此之外，福利倫理委員會成員和科研人員需要了解，很多情況下，某項研究目標可通過整理分析已報道的文獻得到。循證醫學中常用的“系統綜述法”就是可利用的工具，適用于動物實驗研究[9]。

2.2.2精細化管理，科學化繁育，減少動物“浪費”：針對動物生產尤其是轉基因動物生產，“減少”依賴于精細化管理和科學化繁育。對我國2013—2015年實驗動物生產現狀調查結果顯示：實驗動物生產供應得到滿足，部分品種的生產量供大于求[10]。滿足需求固然好，但“過剩”的情況須引起足夠重視。我國應進一步完善動物生產、供應和需求的信息網絡，加強信息共享，力求達到動物需求與供應的基本平衡。動物生產機構應重視市場反饋，對動物生產進行精細化管理，以達到減少動物“浪費”的目的。

基因修飾動物較其他同種動物繁殖慢且效率低。實際生產中，往往為了繁殖需求量相對較少的動物而擴繁、飼養十幾倍乃至幾十倍數量的動物，這有悖于“減少”原則。這些對得到實驗結果無直接作用的動物往往直接被安樂死，無疑是一種“浪費”[11]。故發展基因修飾動物科學育種、鑒定和保種技術至關重要。

2.3 優化相關的技術

“優化”是指對必須使用的實驗動物，應盡量減低非人道方法的使用頻率或危害程度。貫穿動物實驗各個環節都需考慮“優化”原則，包括改善飼養和運輸條件、優化實驗方案、優化操作技術和安樂死等。下面介紹其中幾項重要技術。

2.3.1環境豐榮：環境豐榮的核心是為動物提供表達天性所需要的條件，如對牙齒終生生長的動物，研發和使用供其磨牙的玩具；對有筑巢習性的動物，提供紙卷、紙片等筑巢材料；對愛運動的犬類，提供活動空間和適合犬的運動器械。梁磊等[12]研究表明，在小鼠繁殖籠內添加豐榮玩具，一方面可有效提高親代鼠交配行為，提高繁育能力；另一方面能提升新生鼠生長相關的各項指標。如前所述，實驗動物豐榮產品可形成產業化規模，研發動物喜歡的豐榮物品，選擇無毒無害的材質生產豐榮物品，建立適用于實驗動物豐榮目的、具備高技術含量的國產品牌。

2.3.2麻醉：是指通過藥物對動物產生制動、鎮靜和鎮痛作用，以減輕動物的痛苦，并利于實驗開展的方法。麻醉是一項專業性很強的技術，麻醉劑、劑量和用藥途徑選取不當都會造成麻醉或整個實驗的失敗。故研究麻醉的適用性、用法用量及可能出現的意外和處理措施，避免因麻醉導致動物死亡及對觀察指標和實驗結果的產生影響，是一項很基礎但如何強調也不為過的工作。

2.3.3人道終點和安樂死：前者是指考慮人道對待動物的要求和實驗要求，合理終止動物實驗的時機；后者是指以迅速造成動物意識喪失而致身體、心理痛苦最小之處死動物的方法[13]。人道終點的選擇與確定、動物疼痛和痛苦的評價標準、不同類型研究的人道終點指標都是需要研究的技術內容[14]。

安樂死的成功實施不僅在于選對方法，還在于實施過程中滿足方法使用的全部條件[15]。如CO2安樂死法，并不是吸入CO2氣體導致動物死亡就可稱為安樂死，其過程必須滿足氣體置換率、氣體純度等一系列條件。目前，我國實驗動物安樂死方法的選擇主要是參考國際組織和有關國家的標準和要求，如何在安樂死技術發展過程中體現中國的研究成果值得重視。

2.3.4實驗指標采集技術：實驗指標的采集是動物實驗中最常見操作，但傳統的采集方法往往具有創傷性，會給動物造成或多或少的痛苦。

以下幾項新技術已作為“優化”方法運用于實際研究中：①遙測技術可免除對動物的保定，大大降低了因固定而對動物產生的應激，所有生理信號可被實時監測、記錄和分析，保證動物實驗結果的真實、可靠[7]。②影像學技術可無創觀測動物模型腫瘤的形成情況，不需處死動物，在實驗過程中也不會給動物造成痛苦，符合動物實驗“3R”原則，是一項高科技的動物實驗優化技術。③通過給動物植入電子芯片，以非接觸方式通過計算機管理，應用射頻識別信號系統，實現動物身份快速自動識別、自動捕捉、數據讀寫、電子檔案信息管理、數據遠程傳輸的目的[16]。一方面，可通過芯片采集動物體溫等生理數據，減少對動物的傷害和引起的應激反應；另一方面，可滿足對實驗動物個體的唯一標識和質量追溯要求，可查找到動物個體從出生到死亡整個生命周期所有信息，滿足實驗動物信息化管理需求，實現實驗動物科學監管的目的[17]。

2.3.5動物實驗微創技術：在動物模型的建立過程中，經常要采用包括開胸、開顱、開腹等外科手術操作，造成動物的創傷、疼痛、出血和炎癥，這些反應既會干擾動物模型的應用，也會引起動物福利倫理的問題。隨著微創技術的發展，應將運用于人微創手術的內鏡技術、腔鏡技術、介入技術等應用在動物模型建立，既能降低對動物福利的損害，也保證了與人類手術的一致性[7]。

2.3.6實驗動物運輸環節的福利技術：實驗動物運輸會引起動物不同程度的應激反應[18]，導致動物生理生化指標的改變、免疫功能的抑制，嚴重時還會造成動物死亡。通過改進運輸相關技術可避免動物在運輸中受到生理性或心理性的傷害。

無論采用何種運輸方式，運輸過程都具有不確定性大、可控性小的特點。運輸籠具是緩沖各種變化、保護動物的最后防線，故應研發適用于不同動物運輸要求的高水平籠具。具體要求包括應穩固、耐沖擊，設有符合動物特點的上鎖裝置，防止動物逃逸或其他動物進入；在緊急情況下，應便于迅速打開籠具移出動物；應能防止外部微生物對動物的污染；具備有效方式解決動物排泄物造成的污染。在陸路運輸中，車輛運輸除應滿足專人負責、定期查看實驗動物狀況，運輸前后應清潔并消毒車輛等管理要求之外，對車輛本身也有一定的技術要求，主要包括車輛防震、防滑性能強；具備動物所必須的光照；車廂具備獨立的空調系統，防止惡劣天氣對動物健康的影響；安裝導航定位系統；具備車廂內環境參數監控設備等。

2.4 評估實驗動物福利的技術

以上“優化”技術的實施均為減少動物遭受的痛苦，但“事實是否如此？”，我們需要通過實驗動物福利評估技術做出客觀的評價。目前，關于動物福利較為一致的觀點是動物與其環境協調一致的心理和生理健康的狀態。“不會說”這個顯而易見的事實，使得判斷動物心理和生理健康困難重重。20世紀中期，動物行為學和神經科學的研究成果獲得科學界的認可，并為我們了解動物的感受提供了途徑。

2.4.1評估量表：動物的心理狀態不易直接測量，通過一系列指標相互佐證、共同反映動物的狀態才是最佳的方法。這一系列指標往往被制作為評估量表，以期對動物狀態做出客觀的、標準化的評價。

皮質醇濃度常被用于反映動物受刺激或承受壓力的程度，但單獨測量并不能達到目的，因為良性刺激和惡性刺激都會提高皮質醇濃度。在實際工作中，會在同一張評估量表中要求觀測和記錄動物體質量、進食量、癥狀(如駝背、被毛粗糙)和行為(如刻板行為、易怒或昏睡)等，并可賦值打分。讀者可根據需要，查找適用于不同物種的評估量表。

2.4.2行為學觀察：動物行為學研究可通過比較動物在自然環境中和圈養環境中動物行為的差異，來衡量什么是對動物“有好處”的；還可通過觀察正常動物和待觀察動物的行為差異，判斷動物心理和生理狀態是否有異常。被圈養的動物往往會因環境單調、缺少同伴或承受壓力，而表現出反復踱步、擺頭或梳理毛發等刻板行為。針對實驗動物，可通過觀察動物的活動范圍、步態、采食行為和筑巢行為等來評估其福利[19-20]。例如，現在有一種在IVC基礎上發展而來的數字化獨立通氣籠具(DVC)，可通過安裝在盒底的感應器記錄和分析動物的活動范圍、頻率和步態等參數，這些參數可用于評估動物當前的生理狀態或福利狀態。

2.4.3偏好實驗和厭惡實驗：偏好實驗衡量的是動物為獲得某種資源而愿意付出努力的程度。觀察動物的偏好讓人們知道如何改善動物福利，如通過管道連通的兩個籠盒內放置不同墊料或玩具等，觀察動物喜歡去哪個籠盒。厭惡實驗衡量的是動物為避免某種事件而付出代價的程度。例如，用于研究小鼠CO2安樂死方法而開展的厭惡實驗，正常情況下與有光的明室相比小鼠更喜歡待在暗室，但將暗室充入CO2氣體，小鼠寧可選擇進入明室也不再待在暗室，該實驗說明小鼠不喜歡CO2[21]。

以上方法常常聯合使用，用于評估實驗動物的福利狀態。

3 推進我國實驗動物福利技術研究與應用的建議

3.1 對各級行業主管機構

行業主管部門應盡快出臺相關的管理辦法，從管理機制方面推進我國實驗動物福利技術方面的研究；設立專項基金項目或課題，支持開展實驗動物福利技術研究；設立實驗動物福利倫理技術研究專業實驗室，為相關技術研究搭建穩定而專業的平臺。

3.2 對實驗動物行業從業人員和科研人員

擴大宣傳范圍和提升宣傳力度，使科研工作者深入了解實驗動物福利科學研究的意義，讓實驗動物福利技術和科學研究質量相互促進的理念深入人心；引進國外實驗動物福利技術研究成果，在學習和借鑒的基礎上進行再創新，形成具有我國自主知識產權的實驗動物福利新技術。

3.3 對實驗動物相關產品生產企業

積極關注實驗動物福利技術發展動態，了解實驗動物福利對相關產品的需求；加大研發力度，勇于攻克技術難關，生產出高質量產品，打造行業知名品牌；利用企業優勢，在推廣產品的同時傳播實驗動物福利理念和技術，成為實驗動物福利技術的推動者。