Методы исследований без животных, которые используют данные от человека или его клетки обладают ключевым преимуществом. Они дают результаты, актуальные для человека и поэтому развиваются стремиттельно. К таким методам относятся: клеточные культуры, компьютерное моделирование, использование миниорганов и сложных многокомпонентных чипов, а также эпидемиологические исследования.
Важно понимать, что они являются не просто заменой экспериментов на животных, а новаторскими системами, способными сделать революцию в медицине и научных исследованиях. И в отличие от традиционных экспериментов, приносят значительный прогресс.
Диаграмма: Возможности исследований без использования животных.
Боьшинство моделей, не связанных с использованием животных, не может предсказать, как будет реагировать организм человека в целом. Однако эксперименты на животных также не могут предсказать это.
Животные являются образцами полноценных организмов. Однако не являются подходящими моделями для изучения организма человека. В свою очередь, альтернативные методы, не требующие использования животных, предлагают новые возможности.
Такие методы применяют человеческие клетки, ткани, миниорганы и сложные чипы с множеством органов. С использованием специальных компьютерных программ, которые работают на основе данных о человеке, они предоставляют точные результаты. Они не только значимы для человека, но и более релевантны в сравнении с данными, полученными в результате экспериментов на животных.
• In vitro: в пробирке; эксперименты проводятся в искусственных условиях, вне организма или естественной среды; объектами служат клетки или ткани.
• In vivo: эксперименты проводятся на живом организме.
• In silico: компьютерное моделирование.
Почему использование клеток животных — ошибочный путь
Во многих современных методах испытаний используется материал от животных: клетки, ткани, органы или отходы скотобоен. Такие модели столь же неоправданны, как и испытания на животных. С научной точки зрения нет смысла исследовать клетки или органы животных, поскольку они происходят из другого организма.
Поэтому, как все чаще признают ученые, могут давать серьезные неверные результаты. Например, если солнцезащитный крем тестируется на клетках кожи, полученных от мышей, невозможно предсказать, как отреагирует кожа человека в целом или ее разные типы. Различия в структуре отдельных слоев кожи мыши и человека, а также в чувствительности типов человеческой кожи, слишком велики.
Фетальная бычья сыворотка
Обнадеживает то, что все больше исследователей работает с культурами клеток или тканей, чтобы отказаться от экспериментов на животных. Однако для поддержания жизни и роста клеточных культур требуется питательная среда. Сегодня для этого часто используют так называемую сыворотку плода теленка. Ее извлекают из крови нерожденных телят, прокалывая их сердце иглой. Кровь отсасывают до тех пор, пока тело не станет безкровным и теленок не умрет. Это нельзя оправдать с этической точки зрения. К тому же, существуют питательные среды, которые научно превосходят ФБС, например, из человеческой крови.
3R - Reduce, Refine, Replace
В контексте "альтернативных методов" часто встречается термин 3R. Что он означает? 3R - это аббревиатура от Reduce, Refine, Replace (Сокращение, Улучшение, Замена).
Ученые У. Рассел и Р. Берч предложили так называемую концепцию 3R. В этом подходе не оспаривается применение метода исследований на животных. Однако акцент делается на необходимость его улучшить. Для этого предлагается использовать замену на системы, вызывающие меньше страданий, сокращать количество животных, используемых в экспериментах, и совершенствовать условия их содержания, уменьшая, например, болевые ощущения и создавая более комфортные условия.
Но опыты на животных в принципе не являются подходящим источником получения знаний для медицинских исследований и недопустимы с моральной точки зрения. Действия, которые уменьшают количество животных или их страдания, являются косметическими исправлениями системы лженауки.
Поэтому мы призываем к отмене экспериментов на животных, чтобы проложить путь к медицине и исследованиям, ориентированным на человека. Такие альтернативные подходы основаны на изучении причин, клинических исследованиях и профилактике заболеваний. Только так медицина может добиться реального прогресса.
Инновационные методы без животных
Клеточные культуры
Культуры клеток растут в ячейках.
Культуры клеток подразделяются на первичные и постоянные. Первичные клетки извлекаются непосредственно из организма. Например, клетки человека могут быть выделены из печени, кожи, хрящей или костного мозга. Обычно их получают из биологических материалов в результате клинически необходимых операций, донорских органов, а также из плаценты и пуповины, которые остаются после родов. Однако, жизнеспособность первичных клеток ограничена, и они могут быть выращены только в течение определенного периода времени.
В отличие от первичных, постоянные клетки способны к длительной культурации, поскольку могут непрерывно делиться и обладают практически неограниченной жизнеспособностью. Обычно это клетки опухолей. Сегодня существует множество различных клеточных линий, которые обеспечивают исследовательские потребности.
Современные технологии позволяют "воссоздать" даже сложные структуры человеческого тела в лабораторных условиях. Ученым уже удалось воспроизвести человеческую кожу со всеми ее слоями, а также трехмерные модели сердца, печени, хрящевой ткани и кровеносных сосудов.
Например, клетки сердечной мышцы могут быть использованы для изучения физиологических процессов и действия препаратов для сердца в контролируемых условиях. Более того, все слои роговицы человека могут быть воссозданы в пробирке, что предоставляет уникальную возможность тестирования глазных капель.
Система, изготовленная из клеток печени человека, подходит для тестирования новых лекарственных веществ. В сравнительном исследовании противораковое средство тестировали параллельно в клиническом исследовании на людях, крысах и системе клеток печени человека. Результаты экспериментов на людях и на клетках печени совпали. Эксперимент на животных дал вводящий в заблуждение результат. (1)
Мини-органы и технология органов на чипе
В 2010 году ученым впервые удалось вырастить так называемые органоиды . Это трехмерные культуры клеток, реалистично отражающие функции человеческого органа. Они сделаны из человеческой кожи или корневых клеток волос. С помощью генной инженерии клетки перепрограммируются в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки ( iPS ) и могут развиваться в клетки любого типа.
Мини-органы или органиоды представляют модели реальных органов размером несколько миллиметров. Миниатюризация позволяет автоматизировать процедуры испытаний, чтобы тысячи веществ можно было протестировать в кратчайшие сроки, надежно, недорого и быстро. И, в отличие от испытаний на животных, перенести на человека.
Эти системы "органов на чипе" набирают популярность не только по этическим причинам, т.к. спасают много животных от смерти в лаборатории, но и потому, что более эффективны.
Они также закладывают основу для персонализированной медицины. В этой будущей модели пациент-на-чипе создается из клеток пациента, на которых теперь можно тестировать специально созданные для него лекарства.
Кишечный органоид
Как молекулярные причины заболеваний человека, так и терапевтические подходы могут быть исследованы с использованием трехмерных клеточных моделей, как органоиды (2) .
Органоиды мозга («мини-мозги») или другие сложные модели нейронных клеток уже были выращены у пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера (3) , болезнью Паркинсона (4) , шизофренией (5), аутизмом (6) или болезнью Гентингтона (7) . В случае нейрологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, существует особая необходимость в создании новых модельных систем, основанных на человеческих клетках, поскольку на данный момент исследования на сотнях «животных моделей» не привели к удовлетворительным методам лечения.
Мультиорганный чип — «мини-человек»
В американском университете Корнелл был разработан искусственный организм на микрочипе. В системе миниатюрных коридоров и камер на микрочипе размещаются человеческие клетки, например, желудка, кишечника, печени, крови или почки. Действующее вещество циркулирует в питательной жидкости через чип.
Таким образом, можно тестировать его влияние на отдельные органы, обмен веществ, а также возможное образование токсичных продуктов распада. Даже заболевания человека могут быть имитированы с помощью микрочипа. Так, комбинации активных веществ могут быть проверены на эффективность и безопасность в "органах" чипа, покрытых раковыми клетками. Тесты, которые на животных занимают месяцы, с помощью чипов можно провести за один-два дня. (9)
Ученые из берлинской компании TissUse разработали мультиорганные чипы. Они оснащаются человеческими клетками, например, кишечника, кожи, печени, почек, которые растут в трехмерной среде и имитируют функционирование человеческих органов. Модели органов соединены маленькими каналами, которые с помощью микронасоса обеспечивают естественное питание органов. Это позволяет прогнозировать воздействие лекарств, косметических ингредиентов, химических веществ и пищевых добавок на организм. (10).
Ученые из Университета Твенте в голландском Энсхеде разработали устройство "лаборатория на чипе", которое позволяет оперативно тестировать влияние лекарств или токсических веществ на человека. Чип способен имитировать реакции детоксикации, происходящие в человеческом теле. Таким образом, он позволяет подробно исследовать быстрые реакции, происходящие у человека, вне человеческого тела, и заменяет использование животных для таких целей. (11)
Мультиорганный чип
NAT-Database - База данных методов исследований без животных
Бесчисленное количество методов и технологий, исключающих использование животных, было разработано в областях медицины и биологии, особенно за последние 10 лет, и каждый день появляются новые. С помощью уникальной в мире базы данных "NAT-Database" мы предоставляем информацию о грандиозных возможностях исследований, не связанных с использованием животных.
Популяционные исследования
Эпидемиологические исследования имеют неоценимое значение для получения знаний о происхождении заболеваний человека.
Эпидемиология – это наука о популяционных исследованиях, т.е. исследованиях групп людей. Таким образом, можно выявить связи между определенными заболеваниями и образом жизни и условиями жизни людей, как питание, привычки и работа.
Эпидемиология развивалась на основе наблюдения за инфекционными заболеваниями. В XIX веке в качестве причин эпидемий того времени можно было выделить гигиенические и социальные проблемы. По результатам эпидемиологических расследований могут быть разработаны профилактические меры.
Так, например, была обнаружена связь между курением и раком. В 1950-х вредное воздействие курения все еще подвергалось сомнению, не в последнюю очередь из-за вводящих в заблуждение результатов экспериментов на животных. Анализ 7000 эпидемиологических исследований хирургов в журнале "О курении и здоровье" в 1964 году не оставил места сомнениям: курение сигарет вызывает рак легких и хронический бронхит. (12)
Канцерогенные свойства асбеста отрицались десятилетиями, потому что крысы переносят это вещество намного лучше, чем люди. Одно исследование показало, что люди в 300 раз более чувствительны к асбесту, чем крысы.
В другом исследовании крысам приходилось вдыхать концентрацию асбеста в 100 раз выше, чем у рабочих, работающих с асбестом, для развития рака легких и даже в 1000 раз выше для развития рака брюшины и плевры. Хомяки еще менее чувствительны к асбесту. (13) Канцерогенные эффекты асбеста были окончательно выявлены в исследованиях с участием рабочих, связаных с использованием асбеста.
Наши знания о путях передачи ВИЧ и мерах защиты от СПИДа основаны исключительно на эпидемиологических исследованиях. В случае СПИДа профилактика — это не только лучшее лекарство, но и единственное.
Вероятно, самым известным и в то же время самым продолжительным эпидемиологическим исследованием является Фремингемское исследование, в рамках которого жители одноименного города штата Массачусетс, США, с 1948 года наблюдались по состоянию здоровья их сердечно-сосудистой системы.
Большинство из 5 209 граждан, участвовавших в эксперименте, уже умерли, но исследование будет продолжено с их детьми и внуками. Данные, собираемые в течение десятилетий, позволили получить новаторское представление о факторах риска, развитии, прогрессировании и последствиях сердечно-сосудистых заболеваний.
Еще в 1960-х годах стало ясно, что курение, высокий уровень холестерина, высокое кровяное давление, ожирение, малоподвижный образ жизни и психосоциальные факторы повышают риск сердечно-сосудистых заболеваний.
Микродозирование
Микродозирование — метод открытия новых лекарств, при котором добровольцам дают очень маленькую дозу потенциального лекарства. Поглощение, распределение, метаболизм и выведение вещества измеряют с помощью высокочувствительных методов. Микродоза настолько мала, что не оказывает фармакологическое действие на субъект. Путь вещества по организму отслеживается по классическим образцам крови и мочи.
3D био печать
С помощью специальных 3D-принтеров из человеческих клеток, факторов роста и биоматериалов можно воспроизвести реалистичные структуры тканей или даже органов. Трехмерная печать осуществляется послойно, а полученный биопринт имеет естественные свойства настоящего органа. Биопринты можно использовать различными способами при тестировании лекарств и химических веществ, а также для решения вопросов в фундаментальных исследованиях.
Компьютерное моделирование / in silico
Технологически продвинутые компьютерные модели могут предоставить информацию о структуре, эффективности и токсичности веществ, таких как новые лекарственные препараты или химические вещества. Компьютерные модели, такие как QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship, Количественные Связи Структуры и Активности), основаны на данных, полученных от людей.
Принимая во внимание молекулярную структуру вещества, можно предсказать его вероятное воздействие. Другие модели, как CADD (Computer-Assisted Drug Development, Компьютерное Содействие в Разработке Препаратов), используются фармацевтической промышленностью, чтобы на ранней стадии разработки лекарств отсеивать потенциально неэффективные или токсичные вещества.
Для тестирования нового химического соединения обычно проводится ряд экспериментов на различных видах животных. Команда под руководством токсиколога доктора медицинских наук Томаса Хартунга из Школы общественного здравоохранения Джонса Хопкинса Блумберга в Балтиморе разработала интеллектуальную компьютерную систему, которая позволяет вычислять токсичность новых химических веществ на основе огромной базы данных (14).
Еще в 2016 году была создана самая большая в мире компьютерная токсикологическая база данных. Она содержит информацию о структурах, свойствах и возможных эффектах 10 000 химических соединений, основанных на 800 000 токсикологических тестах. Хотя, в основном это исследования на животных.
Теперь эта база данных была дополнена алгоритмами машинного обучения, чтобы лучше анализировать данные и создавать «карту» известных химических структур и связанных с ними токсичных свойств.
Также используются сравнения с химическими веществами аналогичной структуры с известными эффектами. Это позволяет компьютерной программе находить структурно родственные химические вещества для веществ, которые еще не были протестированы, и за очень короткое время прогнозировать возможное токсическое воздействие на кожу и слизистые оболочки или повреждение ДНК.
В дополнение к способности новой системы надежно прогнозировать вредное воздействие веществ — при условии, что в качестве основы используются данные человека — компьютерный метод намного дешевле и быстрее в использовании, чем эксперименты на животных.
Визуализационные методы
Визуализационные методы играют важную роль в изучении заболеваний человека. Исследования с помощью магнитно-резонансной терапии (МРТ) и компьютерной томографии (КТ), например, дают важные знания в области исследования мозга - эпилепсии, нейродегенеративных заболеваний или диагностики опухолей.
Несомненные преимущества методов без использования животных
Научно хорошо продуманные ин-витро системы имеют ряд неоспоримых преимуществ перед экспериментами на животных:
- Надежность. Модели, основанные на данных или клетках человека, дают хорошо воспроизводимые и однозначные результаты, которые невозможны в экспериментах из-за, в том числе, физиологических и анатомических различий между человеком и животным.
- Чувствительность. Ин-витро системы часто реагируют гораздо более чувствительно на токсические воздействия, чем живые животные.
- Стоимость. Ин-витро системы, когда они уже внедрены, значительно дешевле, чем эксперименты.
- Продолжительность. Исследования с использованием ин-витро систем длятся несколько часов, в то время как исследования на животных могут длиться недели, месяцы или даже годы.
- Большая пропускная способность для тестируемых веществ. С помощью ин-витро систем можно одновременно исследовать большое количество фармакологических средств или химических веществ, например, в токсикологических исследованиях. В то время как возможности животных систем ограничены в числовом выражении.
Заключение
Методы без использования животных - гораздо больше, чем просто "альтернатива" экспериментам. Огромный спектр методов исследований, основанных на человеке, позволяет получить надежные знания.
Таким образом, не только животных избавляют от жестокой и бессмысленной смерти в лаборатории. Полное прекращение использований на животных просто необходимо, чтобы освободить путь для обоснованных методов без использования животных и не блокировать дальнейший прогресс в медицине.
Источники
1. Sicherer als Tierversuche? Informationsdienst Wissenschaft, 20.08.2008
2. Clevers H. Modeling Development and Disease with Organoids. Cell 2016; 165(7):1586–97
3. Tcw J. Human iPSC application in Alzheimer’s disease and Tau-related neurodegenerative diseases. Neurosci Lett 2019; 23(699):31–40
4. Burbulla LF et al. Dopamine oxidation mediates mitochondrial and lysosomal dysfunction in Parkinson’s disease. Science 2017; 357(6357):1255–61
5. Noh H et al. Modeling schizophrenia pathogenesis using patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs). Biochim Biophys Acta 2017; 1863(9):2382–7
6. Grunwald L-M et al. Comparative characterization of human induced pluripotent stem cells (hiPSC) derived from patients with schizophrenia and autism. Translational Psychiatry 2019; 9(179):1–11
7. Victor MB et al. Striatal neurons directly converted from Huntington’s disease patient fibroblasts recapitulate age-associated disease phenotypes. Nat Neurosci 2018; 21(3):341–52
8. Veening-Griffioen DH et al. Are some animal models more equal than others? A case study on the translational value of animal models of efficacy for Alzheimer’s disease. European Journal of Pharmacology 2019; 859:172524
9. Versuchskaninchen aus Silizium, Technology Review, Juli 2004, S. 45-48
10. Organ-Chips sollen Tierversuche ersetzen. Spektrum.de, 03.08.2015
11. Van den Brink FTG, Wigger T, Ma L, et al.: Oxidation and adduct formation of xenobiotics in a microfluidic electrochemical cell with boron doped diamond electrodes and an integrated passive gradient rotation mixer. Lab Chip 2016; 16(20): 3990-4001
12. 1964 Surgeon General‘s Report on Smoking and Health, National Center for Chronic Disease Prevention and Health Promotion
13. Langley G: A regulatory Smokescreen. BUAV/ECEAE (Hrsg.) 2004, S. 9-10
14. Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health: Database analysis more reliable than animal testing for toxic chemicals. News Release, 11.07.2018