加利福尼亞大學(xué)河濱分校的研究人員是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃計(jì)劃到2035年消除動(dòng)物試驗(yàn)。他們的貢獻(xiàn)：開發(fā)一種方法，可以使用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的方法測(cè)試化學(xué)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(dòng)物。

分子，細(xì)胞和系統(tǒng)生物學(xué)的副教授Nicole zur Nieden和環(huán)境毒理學(xué)的副教授David Volz都是關(guān)于監(jiān)管毒性測(cè)試和化學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)成骨樣組織，以測(cè)試可能干擾胎兒生長(zhǎng)的工業(yè)和環(huán)境化學(xué)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(xué)成分引起的。必須通過(guò)測(cè)試來(lái)識(shí)別有害化學(xué)物質(zhì)，以便對(duì)其進(jìn)行管理。當(dāng)前，該測(cè)試是在活體動(dòng)物上進(jìn)行的，通常是嚙齒動(dòng)物，例如小鼠。

由zur Nieden領(lǐng)導(dǎo)的UC Riverside項(xiàng)目將刺激人類多能干細(xì)胞，該干細(xì)胞具有發(fā)展為任何類型細(xì)胞的能力，并具有引導(dǎo)它們形成骨細(xì)胞的作用。細(xì)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(guān)鍵時(shí)刻將細(xì)胞暴露于選定的化學(xué)物質(zhì)，然后使用先進(jìn)的成像技術(shù)和下一代測(cè)序技術(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

骨細(xì)胞可以通過(guò)三種不同的途徑發(fā)育。zur Nieden將使用已知會(huì)影響骨骼發(fā)育特定途徑的化學(xué)物質(zhì)尋找化學(xué)物質(zhì)如何影響這些起源的模式。這些圖案將用作測(cè)試未知化學(xué)品的藍(lán)圖。接下來(lái)，研究人員將測(cè)試未知的化學(xué)物質(zhì)，并將其與先前已在動(dòng)物中測(cè)試過(guò)的化合物庫(kù)進(jìn)行比較，以觀察培養(yǎng)皿或體外測(cè)試對(duì)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確性。

骨形成細(xì)胞的一個(gè)標(biāo)志性特征是，它們由稱為羥基磷灰石的小晶體構(gòu)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(shí)別鈣中的缺陷。

用眼睛觀看時(shí)，鈣晶體顯示為白色。但是，當(dāng)您使用相襯顯微鏡觀察培養(yǎng)物時(shí)，它會(huì)使光反轉(zhuǎn)，因此正常晶體會(huì)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(lái)測(cè)量圖像中的黑度，以確定鈣是否正確形成。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們都知道動(dòng)物在重要的發(fā)育和生理方面與人類不同，并且動(dòng)物測(cè)試結(jié)果并不總是對(duì)人可靠。此外，動(dòng)物研究既昂貴又費(fèi)時(shí)，并且出于倫理原因也變得越來(lái)越站不住腳。非動(dòng)物替代品已經(jīng)開發(fā)了近25年，其中一些已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。

沃爾茲說(shuō)：“對(duì)公眾來(lái)說(shuō)，美國(guó)環(huán)保署的公告似乎是從無(wú)到有。”沃爾茲的實(shí)驗(yàn)室將對(duì)zur Nieden實(shí)驗(yàn)室化學(xué)暴露的骨細(xì)胞中的信使RNA進(jìn)行測(cè)序，以尋找基因表達(dá)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(shuō)，美國(guó)環(huán)保署的科學(xué)成就計(jì)劃計(jì)劃已經(jīng)通過(guò)加州大學(xué)河濱分校獲得了新的資助，這項(xiàng)計(jì)劃已經(jīng)為動(dòng)物替代品的研究提供了十多年的資金。

EPA計(jì)劃在2035年前結(jié)束動(dòng)物測(cè)試，此舉是對(duì)1976年頒布的《有毒物質(zhì)控制法》(TSCA)進(jìn)行的更早修訂的結(jié)果。TSCA授權(quán)EPA監(jiān)管消費(fèi)產(chǎn)品中的化學(xué)物質(zhì)，例如清潔劑，家具，油漆，地毯，服裝和其他消費(fèi)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(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)品受不同法律的管制。

即使在TSCA之后，也從未對(duì)從塑料到防曬霜的各種材料中使用的數(shù)千種常見化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行人體安全性測(cè)試。2016年，國(guó)會(huì)通過(guò)了《勞登伯格化學(xué)安全法》，對(duì)TSCA進(jìn)行了修訂，以彌補(bǔ)工業(yè)化學(xué)品的漏洞。法律授權(quán)EPA在明確和可強(qiáng)制執(zhí)行的期限內(nèi)評(píng)估現(xiàn)有化學(xué)品，并制定基于風(fēng)險(xiǎn)的化學(xué)品評(píng)估。它促進(jìn)了非動(dòng)物測(cè)試方法的使用，這是工業(yè)界和動(dòng)物權(quán)利組織都在尋求的舉措。

新的EPA計(jì)劃引入了積極的時(shí)間表，以加快可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人類毒性的非動(dòng)物試驗(yàn)的開發(fā)。沃爾茲說(shuō)，美國(guó)落后于世界上其他一些國(guó)家，這些國(guó)家已經(jīng)大大減少了動(dòng)物試驗(yàn)。他說(shuō)，他與越來(lái)越多的對(duì)涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究感興趣的學(xué)生互動(dòng)，而且我們的文化正在朝著減少動(dòng)物痛苦的愿望轉(zhuǎn)變。

但是Volz和zur Nieden都不確定動(dòng)物試驗(yàn)是否可以完全取代，這一立場(chǎng)得到EPA備忘錄的回應(yīng)，該備忘錄指出，在2035年之后，將逐案批準(zhǔn)動(dòng)物試驗(yàn)。例如，某些化學(xué)物質(zhì)對(duì)細(xì)胞沒(méi)有直接毒性，但在體內(nèi)代謝后會(huì)變得有毒。

“如果您的結(jié)果是該化學(xué)物質(zhì)不會(huì)干擾培養(yǎng)皿中人類干細(xì)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(píng)估的最佳方法是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，” zur Nieden說(shuō)。“與此同時(shí)，我們希望以適當(dāng)?shù)姆绞阶龅竭@一點(diǎn)。我們需要考慮，這真的有必要嗎?我們可以換一種方式來(lái)看這個(gè)問(wèn)題嗎?”

zur Nieden認(rèn)為我們需要一個(gè)分層的系統(tǒng)，體外測(cè)試首先要清除毒性最高的化學(xué)物質(zhì)，而動(dòng)物測(cè)試則需要在體外測(cè)試無(wú)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(dòng)物試驗(yàn)，則至少可以減少動(dòng)物的痛苦。如果您考慮一種對(duì)母體有高毒性的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)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(shí)，如果您可以使用體外測(cè)試系統(tǒng)找到所有這些強(qiáng)毒性化學(xué)物質(zhì)，則無(wú)需在動(dòng)物中進(jìn)行測(cè)試。”

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