文｜创瞰巴黎
Jean-Baptiste Masson
法国巴斯德研究所理论物理学家
Jean-Michel Besnier
法国索邦大学哲学系名誉教授
Nicolas David
巴黎综合理工学院生物学教授
导读
动物实验是推动生物医学发展的重要因素。如果没有动物试验，或许医学界的许多成就将很难实现，例如疫苗、抗生素、治疗糖尿病的胰岛素等药物的研发。但在这些成果的背后，也是无数动物付出的惨痛代价,所以，动物实验越来越受到伦理争议。
因此，寻找动物实验的替代方案，成为了学界亟需解决的问题。随着人工智能技术的进步，AI在模拟生物体方面的潜力引发了关于替代动物实验的讨论。AI技术能否完全替代动物试验，解决现有技术的局限性？在减少和优化动物试验的过程中，哪些技术和方法最具前景？
一览：
- 人工智能在众多领域大放异彩，有学者开始思考是否能用AI模拟生物体，替代传统的动物试验。
- 动物在科学研究中应用广泛，既可在基础研究中用于理解生理现象，也可以验证产品和药物的安全性与有效性。
- 2010年，欧洲通过了一项指令（2010/63/EU），明确提出了“三个R”原则——替代（Replacement）、减少（Reduction）和优化（Refinement），旨在最大限度地降低动物遭受的痛苦。
- 利用AI，可以为动物构建数字孪生，以模型为试验对象，或者通过生物统计学手段算出给定课题所需的最少试验动物量。
- 哪些动物适合替代常规的试验物种，仍存在争议，特别是对于未被现有试验动物保护法律覆盖的物种。
人工智能（AI）算法已经在模拟人类声音、图像生成等方面取得了显著成就。未来AI能否逼真地模拟生物体，从而使动物试验成为历史？随着人类对动物福利的日益重视，这一问题进入了公众的视野。
法国索邦大学哲学教授、科学哲学家Jean-Michel Besnier解释道：“随着社会的进步，我们开始将动物视为有感情、有意识的生命，而非纯粹的试验工具。动物行为学和心理学的研究进展，以及‘动物文化’等全新概念的涌现，都在逐渐改变对动物试验的传统观念。此外，小鼠身上的得到的试验结果未必适用于人类，那何必让动物承受试验之苦？”
动物在科学研究中应用广泛，既可在基础研究中用于理解生理现象，也可以验证产品和药物的安全性与有效性，保证药物合法合规，无毒无害。科学界向来重视动物试验的伦理道德。2010年，欧洲通过了一项指令（2010/63/EU），明确提出了“三个R”原则——替代（Replacement）、减少（Reduction）和优化（Refinement），旨在最大限度地降低动物遭受的痛苦。
01替代（Replacement）
人工智能建模是否能替代动物试验？目前有两种途径：
在生物学中，“数字孪生”系统指能模拟人体组织生化或生物物理特性的数字程序。Besnier 介绍：“数字孪生在医学领域的使用日益频繁。在外科手术前对患者的器官建设数字孪生，供医生进行模拟训练，可提高手术成功率，从而降低患者风险。”类似的孪生技术未来或可为动物建模，将模型作为试验对象。
在毒理学领域，类器官技术有望替代动物试验。类器官是在实验室中从干细胞培养而得、旨在模拟真实器官功能的三维组织结构。然而，这项技术仍存在一定的局限性。巴黎综合理工大学光学与生物科学实验室正在积极研发类器官技术[1]，实验室的发育生物学家Nicolas David指出：“虽然类器官在很多方面与真实器官相似，但二者并非完全等同。因此不能完全依赖类器官的反应来预测真实器官的反应。”尽管如此，类器官技术仍在个性化医疗中有施展空间，比如在开出抗癌药物前，可以测试患者细胞的反应，优化治疗方案。
02减少（Reduction）
在科研领域，基础研究尤其难以避免使用动物实验。然而，近期美国华盛顿大学医学院（圣路易斯分校）的研究团队带来了一项革新性的成果[2]。学者们开发了一种先进的机器学习算法，预测多个基因如何通过共同调控表达，决定细胞发育的结果——是分化成肌肉细胞、皮肤细胞还是神经细胞？
这一系统名为CellOracle，集成了全球数十年的研究成果，并巧妙利用公共数据库中的已知基因交互数据。举例来说，研究人员可以查询某个基因的缺失对模型生物可能产生的影响，不再需要辛辛苦苦培育携带异常突变、无法表达某种基因的动物。
有些分子生物学技术已经过反复验证，相当成熟，适合于用机器学习算法处理模拟。不过David指出：“模拟一个系统，前提是要彻底理解它。”这样的模拟不仅有助于减少探索性工作，还能提供新思路，但是结果未必完全可靠，必须经充分验证才能作为进一步研究的基础。
03优化（Refinement）
即使确定要进行动物试验，也须通过数学手段进行相关验证。法国巴斯德研究所的统计物理学家Jean-Baptiste Masson解释：“目前的生物统计系统能通过预测和优化，算出给定课题所需的最少动物数量，我们研究所就在使用这种系统。”
近年来涌现出了一些新型替代方法。David阐述道：“并非所有动物都符合我们对‘感知能力’的定义，因此可采用其他物种替代常用物种。”或者可以以生物胚胎作为研究对象，因为胚胎必须发育到一定阶段，才会进入法国保护实验动物相关法规的保护范围[3]。“对于哺乳动物，保护的起始时间通常是在其总妊娠期的三分之二。非哺乳动物的情况则更为复杂，根据法国法律，保护自幼体能自主生存之时开始。以鱼类为例，自主生存指能够自行觅食，因此保护期始于其口腔开启的时刻。”
尽管一些研究者转向使用无脊椎动物模型，但这种方法存在一个明显的局限性：所选物种在进化树上离人类越远，其研究结论对于临床研究就越不适用。同时，使用无脊椎动物也受到了来自科学界内部的反对。2023年4月，287位研究动物意识的哲学家、伦理学家、动物行为学家和神经生物学家共同签署了《纽约动物意识宣言》[4]。
宣言指出，鉴于越来越多的研究表明所有脊椎动物以及部分无脊椎动物（如头足类、昆虫和甲壳类动物，包括螃蟹和虾）都具备“意识体验”，因此忽视这一可能性是“不负责任的”。宣言作者引用了关于蜜蜂[5]、章鱼[6]和两种蛇类[7]的意识的几项突破性研究成果，提出面对可能具有意识的试验动物时，应遵循“宁可信其有”的原则。未来，持续探索替代动物试验的方法势在必行。
作者
Agnès Vernet
编辑
Meister Xia
参考资料
1.https://www.polytechnique-insights.com/en/columns/science/organ-on-chip-a-mini-biotech-with-big-ambitions/
2.https://www.nature.com/articles/s41586-022–056889
3.Decree no. 2013-118 of 1 February 2013 on the protection of animals used for scientific purposes.
4.https://sites.google.com/nyu.edu/nydeclaration/declaration
5.https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1314571110
6.https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00197–8
7.https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2024.0125