新兴生物技术推动类器官技术方法与动物实验双轨化进程

       1938年，美国《联邦食品、药品和化妆品法案》规定，新药上市前需在动物身上验证其安全性。1962年，《科沃夫-哈里斯修正案》要求在研究性新药（investigational new drug，IND）临床申请时须审核药品的药理、毒理学动物测试结果。而1978年《非临床实验室研究规范》则对新药研发过程动物实验操作、实验记录和测试报告提出了统一标准。从此，动物实验成为了新药有效性和安全性验证中的“金标准”。

       在生物医学研究中，从基础研究的发育生物学、疾病建模到新药筛选，猴、犬与啮齿类动物等实验动物得到了广泛应用，成为人类探索自身生理病理科学世界的向导员、疾病治疗和健康维护的试错石和防火墙。其中，大小鼠的生命周期短，繁殖能力强，成本相对低廉，便于批量使用，使用最为广泛，几乎是动物实验的代言与形象大使。

       然而，做过动物实验的都清楚，自把动物高价请进实验室开始，研究人员的身份就由电脑客秒变为7×24小时动物保育员和全科兽医师。即便经历很长时间的坚守，用句戏谑的话说，实验结果好坏关键还靠老鼠的点头。数十年来的实践中，动物实验到底是助力接捧奖杯的天梯，还是陷人于深渊的滑索，争议从未停息。生物医学研究活动与实验动物间“剪不断，理还乱”的复杂纠缠，的确是有原因的。

一、动物实验自身局限性动摇了其在生物医药研究中的垄断地位

1）动物实验研究结果转化率极低

       在非临床开发阶段要对候选药物的药代动力学、有效性和安全性需要进行全面评估。以非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD)为例。它是一种从肝脏内脂肪的积累开始，从肝脂肪变性逐渐发展成非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis, NASH) 的进行性慢性肝病，最终导致肝功能衰竭或癌症。全球>25% 的人口受此困扰，并且患病率很高还在不断上升。由于侵入性肝活检应用的限制，长期以来，NAFLD相关的生物学和新药研究主要使用遗传、化学诱导或饮食驱动的模型在啮齿动物进行。尽管依托小鼠实验研究推出过具有治疗人类NASH潜力的药物，但最终都止步于临床试验失败，以致于目前全球范围内仍缺乏针对 NAFLD的有效药物治疗 ^[1] 。

       绝大多数在动物实验中证明了安全、有效的候选药物，实验结果并不能顺利地转化到临床。据报道，有潜在疗效的候选药物最终获批成为临床治疗用药的成功率仅有10%。在近90%的失败案例中，约30%是因药物肝脏、肾脏药物性损伤等不良事件引起，约60%是由于缺乏疗效导致的。药物研发过程的高失败率，可能与所用测试模型无法准确预测药物在人体内的作用有关 ^[2-3] 。

       有分析指出，实验动物与人类的基因组序列、生理构造存在本质不同。动物和基于动物建立的实验模型在很多时候无法有效模拟人体真实情况^[4] 。据报道，人类与小鼠肝脏基因表达只有35.3%的相似性[5]。动物与人两个物种之间关于新陈代谢、病理表型、对药物治疗反应等许多固有差异，尚未被识别或详细描述过 ^[4,5] 。

       事实上，运用RNA-seq技术已确定有超过50%的常见调控基因在人和小鼠的肝脏中表现出与脂肪肝病相反的调控，通过基因网络分析进一步印证了反相基因调控结果。并且，两个物种的肝脏基因的调控反相模式在人和人源化小鼠(humanized mice)模型中也同样存在。而这种现象说明，人类肝细胞中基因调控的特异性调节，只能在人类或人源化系统中进行充分研究^[6] 。

       部分药物疗效和毒性反应为人类所特有。某些对灵长类实验动物无明显毒性药剂的测试结果，甚至可能误导人们对其安全性的评价。因此，动物的安全性、毒理学和代谢研究数据的预测价值极其有限。而忽视人类和实验动物内在调控机制的不同，完全依赖和取信于当前动物模型测试结果，很可能会产生严重后果。例如，2006年德国TeGenero公司开发的类风湿性关节炎治疗药物人源化单克隆抗体TGN1412，在I期临床评估中引起的细胞因子反应综合症，给志愿患者健康产生了灾难性后果。最典型灾难莫过于一项抗乙型肝炎候选药物非阿尿苷（Fialuridine）的临床试验，共造成5例患者的死亡，原因是在此前在小鼠、狗和猴子中均未检测到人类特异性肝毒性^[6] 。

2）尚有大量人类疾病无法建立有效的动物实验模型

       目前，包括人类对精神分裂症、自杀倾向的重度抑郁症、自闭症谱系障碍和智力障碍在内的神经发育障碍性疾病^[7] 、人类复发性流产、子宫内膜异位症^[6] 、囊性纤维化(cystic fibrosis，CF)等基因突变引起的罕见疾病、某些病毒及寄生虫感染疾病等在内，尚有大量人类疾病研究难以通过实验动物建模进行。

       因动物寿命较短，无法模拟某些慢性病或老年病，也难以重现长期外部环境因素所致的人体病变。

       动物体内环境复杂，试验中动物也容易产生应激反应，引起生理参数变化，影响试验结果^[4] 。

       此外，动物实验通量低、周期长。而转基因斑马鱼、基因缺陷小鼠、转基因动物、食蟹猴等高级动物模型供不应求，价格昂贵，动物单价动辄上万甚至十几万元，巨大的动物材料资金耗费令研究经费不堪重负。而对常规实验动物保护与动物福利的的关注，也增加了研究工作成本和动物管理工作负荷。

       一方面是动物实验的技术局限性业界早有共识。而新兴生物材料技术的跃进和应用对创新药物开发带来的降本增效所产生的内在驱动力，外加来自西方社会层面反对使用动物实验的呼声和压力，确实促进了各国监管层对动物实验监管政策发生与时俱进的积极调整。

二、新形势下对临床前研究数据监管标准的变革

       早在1959年，英国科学家 William Russell和Rex Burch就在专著《The Principles of Humane Experimental Technique》中提出了限制实验动物的使用的“3R原则”，即替代(Replacement)、优化(Refinement)和减少(Reduction)。1981年美国《实验动物福利法》发出3R提议。欧盟1997年的《用体外模型替代动物研究》则明确了动物实验遵循3R原则的要求。2013 年，欧盟开始全面禁止使用过实验动物进行检验的化妆品成品和原料进入欧盟市场，并列入WTO双边协议的条款^[9] 。

       2018年美国《动物实验替代方法战略计划》设定了2025年前将动物实验需求减少50%的工作目标。2022年的《FDA现代化法案2.0》的最大影响在于，它宣告了正式终结实验性药物在用于人体临床试验前必须通过动物测试的强制规定。但法案没有完全禁止动物试验，而是允许使用其他替代方法。

       2023年的《非临床安全性评价替代技术路线图》发布了替代实验方法的分阶段实施计划，即：

1）2023-2024，首先在单克隆抗体、基因治疗药物等领域引入试点动物实验的替代方法；

2）2025年起，逐步淘汰疫苗、小分子药物的动物实验。

       2024年12月12日，美国通过修订版的“FDA现代化法案3.0”，旨在推动FDA现代化法案2.0的实施。2025年4月10日，美国FDA宣布，将在新药开发中逐步淘汰传统动物实验，鼓励采用类器官和器官芯片等新兴非动物技术方法(New Approach Methodologies, NAMs)实验数据申请临床试验，并将分阶段推进动物替代方法的标准化流程，推动行业向“无动物实验”方向发展。

       对于替代动物实验的NAMs具体方法，FDA法规在不断的更新：

1997年《FDA现代化法案》允许使用体外细胞模型替代部分动物实验（如药物代谢研究）；

2007年《关键路径计划》提出了“21世纪毒理学”愿景，高通量筛选（HTS）和计算毒理学模型被视为替代动物实验的NAMs；

2018年《动物实验替代方法战略计划》提出将动物实验的同时，重点支持类器官、器官芯片等替代技术；

2022年《FDA现代化法案2.0》允许药企使用计算机建模、器官芯片等非动物方法申请临床试验；

2023年《非临床安全性评价替代技术路线图》提出从2025年起疫苗、小分子药物实验中全面采用类器官+AI模型组合方案；

2024年《FDA现代化法案3.0》明确鼓励类器官、器官芯片等新方法学（NAMs）的应用；

       2025年《动物实验替代技术指南》发布的主要替代方案包括：类器官与器官芯片（利用人类干细胞培养的微型器官模型预测药物毒性），AI与计算机模拟（通过大数据建模预测药物代谢路径和副作用）和体外测试模型（如3D生物打印组织、微生理系统等模拟人体的实验环境）。

上述史实表明，从提出基于体外细胞模型（注：主要是是常规2D细胞培养模型）和依托细胞模型发展的HTS筛选技术后，作为IND申请的新兴动物实验替代方案，类器官、器官芯片在NAMs队列中一直占据C位。

       而按美国FDA 2025年新药评审新政，类器官等NAMs的应用范围将从目前的单克隆抗体的安全性评价扩展至其他其他生物制品、化学药物以及医疗器械等产品。在药品申报材料中整合类器官（organoids）、器官芯片（organ-on-a-chip）等替代方法所生成的数据的审批项目，FDA还将予以纳入快速审批通道以资鼓励。 

       鉴于现阶段的生物医学临床前研究和药物开发还没有可以完全替代动物模型的方法。而出于对新药安全性的担忧，美国国立卫生研究院（NIH）、美国国家生物医学研究协会（NABR）、FDA等机构倾向性意见是，动物实验对于药物开发和评估化合物的毒性仍然至关重要。一款药物分别经两种或两种以上动物测试，通过监测对不同的动物可能产生反应，有助于评估一款潜在药物的人体毒副作用以及不同剂量下的安全性，为人体临床实验指明了方向。换句话说，动物实验在新药毒理评价方面，目前依然发挥着压舱石和兜底作用，而前期基础研究、药效学筛查，在有更成熟的类器官相关技术和人工智能模型前提下，NAMs不仅具有合法性，更具前瞻性和优越性。

三、各国对类器官实验技术发展的引导和推动

       为适应全球范围内类器官技术在临床前基础研究和新药开发产业应用发展形势，各国监管部门先后出台了政策规范加以引导和对研究的扶持政策。

       继美国《2022年食品和药品修正案》批准采用细胞学实验、器官芯片和微生理系统测试结果作为药物申请IND的“非临床检测”依据后，2024年1月，我国国家药品监督管理局制定的《人源干细胞产品非临床研究技术指导原则》正式颁布并施行。该文件指出，在缺少相关动物种属/模型时，基于细胞和组织的模型（如2D或3D组织模型、类器官和微流控模型等）测评数据可作为非临床有效性和安全性的评估的有效补充。类器官技术获得监管机构的认可，表明其应用前景不再是“具有潜力”，而是已转化为切实的“可行性^”[10] 。类器官代表的NAMs开发应用将驶入快车道，有望成为临床前研究的主流技术路径。

       类器官技术应用合法化基础上，各国都加大了类器官技术研究资助力度，以促进类器官领域从技术研发到产业应用发展和保持优势地位。

       2021 年，欧盟启动了一项在“地平线欧洲”（Horizon Europe）框架下的HYBRIDA项目专门用于支持和引领类器官等新型研究模型的开发^[11] 。

       美国白宫科技政策办公室2023年《生物技术与生物制造宏大目标》报告提出推动类器官领域的技术创新，并将其广泛应用于基础和转化研究领域。

       2021年，我国科技部发布的“十四五”国家重点研发计划鼓励开发和利用类器官技术。首批启动的“干细胞研究与器官修复”重点专项中包括了“建立基于干细胞、类器官和人源化动物的疾病模型”的专项。2022年重点专项的“基于干细胞的疾病模型”模块中，明确指出支持针对肿瘤建立“包含血管、免疫细胞、多细胞类型、多脏器或多区域的复杂3D类器官模型”研究[^12] 。 

【参考文献】

[1] Hendriks D, Brouwers J F, Hamer K, et al. Engineered human hepatocyte organoids enable CRISPR-based target discovery and drug screening for steatosis[J/OL]. Nat Biotechnol. 2023 Feb 23;41(11):1567–1581.

[2] 俞东红, 曹华, 王心睿. 类器官的研究进展及应用. 生物工程学报, 2021, 37(11): 3961-3974.

[3] 傅丽霞,张秀莉,庞晓丛等.类器官和器官芯片在新药评价中的应用及国内外监管现状分析.中国临床药理学杂志,2023,39(18):2724-2730.

[4] 张冰也，吴羿霏，杜新. 类器官技术在新药研发中的应用. 药学进展，2023, 47(11): 849-863.

[5] Reza, H.A., Santangelo, C., Iwasawa, K. et al. Multi-zonal liver organoids from human pluripotent stem cells. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08850-1

[6] Chengfei Jiang, Ping Li, Xiangbo Ruan, et al. Comparative Transcriptomics Analyses in Livers of Mice, Humans, and Humanized Mice Define Human-Specific Gene Networks. Cells, 2020;9(12):2566.

[7] Lauren Rylaarsdam, Jennifer Rakotomamonjy, Eleanor Pope, et al. iPSC-derived models of PACS1 syndrome reveal transcriptional and functional deficits in neuron activity. Nat Commun, 2024;15:827.

[8] Jiwen Tian, Jie Yang, Tingwei Chen, et al. Generation of Human Endometrial Assembloids with a Luminal Epithelium using Air–Liquid Interface Culture Methods. Adv Sci (Weinh)，2023;10(30):e2301868.

[9] 管博文，李程程，孟爱民.实验动物替代研究进展.生命科学, 2017, 29(10): 546-551

[10] 王玥,施慧琳,靳晨琦,徐萍.类器官领域发展现状及展望.中国生物工程杂志，2023, 43(8):1-10

[11] D5.1: Operational guidelines regarding organoids and organoid-related technologies (https://hybrida-project.eu/)

[12] 肖毅，吴名，姚刚.肿瘤类器官研究现状与展望. 中国癌症杂志,2024,34(8):763-776