加利福尼亞大學河濱分校的研究人員是美國環(huán)境保護署(EPA)一項雄心勃勃的計劃的一部分，該計劃計劃到2035年消除動物試驗。他們的貢獻：開發(fā)一種方法，可以使用實驗室培養(yǎng)的方法測試化學物質(zhì)是否引起肌肉骨骼的出生缺陷人體組織，而不是活體動物。

分子，細胞和系統(tǒng)生物學的副教授Nicole zur Nieden和環(huán)境毒理學的副教授David Volz都是關于監(jiān)管毒性測試和化學品政策與監(jiān)管的替代方法的專家。他們獲得了849,811美元的資金，用于將人類干細胞培養(yǎng)成骨樣組織，以測試可能干擾胎兒生長的工業(yè)和環(huán)境化學物質(zhì)。

影響肌肉骨骼組織的出生缺陷可能是由農(nóng)藥，殺真菌劑，油漆和食品添加劑中的化學成分引起的。必須通過測試來識別有害化學物質(zhì)，以便對其進行管理。當前，該測試是在活體動物上進行的，通常是嚙齒動物，例如小鼠。

由zur Nieden領導的UC Riverside項目將刺激人類多能干細胞，該干細胞具有發(fā)展為任何類型細胞的能力，并具有引導它們形成骨細胞的作用。細胞將經(jīng)歷與人類胚胎相同的發(fā)育階段，并受到相同的分子提示。研究人員將在關鍵時刻將細胞暴露于選定的化學物質(zhì)，然后使用先進的成像技術和下一代測序技術對其進行評估。

骨細胞可以通過三種不同的途徑發(fā)育。zur Nieden將使用已知會影響骨骼發(fā)育特定途徑的化學物質(zhì)尋找化學物質(zhì)如何影響這些起源的模式。這些圖案將用作測試未知化學品的藍圖。接下來，研究人員將測試未知的化學物質(zhì)，并將其與先前已在動物中測試過的化合物庫進行比較，以觀察培養(yǎng)皿或體外測試對評估風險的準確性。

骨形成細胞的一個標志性特征是，它們由稱為羥基磷灰石的小晶體構成骨基質(zhì)，最終形成磷酸鈣，即所有骨骼表面的白色物質(zhì)。節(jié)省成本的可視化分析可以幫助識別鈣中的缺陷。

用眼睛觀看時，鈣晶體顯示為白色。但是，當您使用相襯顯微鏡觀察培養(yǎng)物時，它會使光反轉，因此正常晶體會顯得黑色。異常的晶體將具有更多的白色和灰色陰影。您可以使用圖像分析算法來測量圖像中的黑度，以確定鈣是否正確形成。

長期以來，科學家們都知道動物在重要的發(fā)育和生理方面與人類不同，并且動物測試結果并不總是對人可靠。此外，動物研究既昂貴又費時，并且出于倫理原因也變得越來越站不住腳。非動物替代品已經(jīng)開發(fā)了近25年，其中一些已經(jīng)成為標準。

沃爾茲說：“對公眾來說，美國環(huán)保署的公告似乎是從無到有。”沃爾茲的實驗室將對zur Nieden實驗室化學暴露的骨細胞中的信使RNA進行測序，以尋找基因表達的變化。“這不是一夜之間發(fā)生的。那列火車已經(jīng)離開車站了。

沃爾茲說，美國環(huán)保署的科學成就計劃計劃已經(jīng)通過加州大學河濱分校獲得了新的資助，這項計劃已經(jīng)為動物替代品的研究提供了十多年的資金。

EPA計劃在2035年前結束動物測試，此舉是對1976年頒布的《有毒物質(zhì)控制法》(TSCA)進行的更早修訂的結果。TSCA授權EPA監(jiān)管消費產(chǎn)品中的化學物質(zhì)，例如清潔劑，家具，油漆，地毯，服裝和其他消費品。TSCA的法規(guī)不適用于食品，藥品，化妝品和殺蟲劑中的化學物質(zhì)，這些化學品受不同法律的管制。

即使在TSCA之后，也從未對從塑料到防曬霜的各種材料中使用的數(shù)千種常見化學物質(zhì)進行人體安全性測試。2016年，國會通過了《勞登伯格化學安全法》，對TSCA進行了修訂，以彌補工業(yè)化學品的漏洞。法律授權EPA在明確和可強制執(zhí)行的期限內(nèi)評估現(xiàn)有化學品，并制定基于風險的化學品評估。它促進了非動物測試方法的使用，這是工業(yè)界和動物權利組織都在尋求的舉措。

新的EPA計劃引入了積極的時間表，以加快可準確預測人類毒性的非動物試驗的開發(fā)。沃爾茲說，美國落后于世界上其他一些國家，這些國家已經(jīng)大大減少了動物試驗。他說，他與越來越多的對涉及動物實驗的研究感興趣的學生互動，而且我們的文化正在朝著減少動物痛苦的愿望轉變。

但是Volz和zur Nieden都不確定動物試驗是否可以完全取代，這一立場得到EPA備忘錄的回應，該備忘錄指出，在2035年之后，將逐案批準動物試驗。例如，某些化學物質(zhì)對細胞沒有直接毒性，但在體內(nèi)代謝后會變得有毒。

“如果您的結果是該化學物質(zhì)不會干擾培養(yǎng)皿中人類干細胞的發(fā)育，那么您如何確定這不是真的發(fā)生在人類身上?我們必須評估的最佳方法是動物實驗，” zur Nieden說。“與此同時，我們希望以適當?shù)姆绞阶龅竭@一點。我們需要考慮，這真的有必要嗎?我們可以換一種方式來看這個問題嗎?”

zur Nieden認為我們需要一個分層的系統(tǒng)，體外測試首先要清除毒性最高的化學物質(zhì)，而動物測試則需要在體外測試無法發(fā)現(xiàn)毒性的情況下使用。

“如果不能用體外方法完全替代動物試驗，則至少可以減少動物的痛苦。如果您考慮一種對母體有高毒性的化學物質(zhì)，對她在懷孕期間以及暴露在母體中的母親有影響。在發(fā)育胚胎時，如果您可以使用體外測試系統(tǒng)找到所有這些強毒性化學物質(zhì)，則無需在動物中進行測試。”

zur Nieden將用于新的肌肉骨骼研究的測試系統(tǒng)的先前版本已經(jīng)能夠以幾乎100%的準確性識別其他組織(例如心臟組織)的胚胎毒性化學物質(zhì)。