Методи досліджень без тварин, які використовують дані від людини або її клітини мають ключову перевагу. Вони дають результати, актуальні для людини і тому стрімко розвиваються. До таких методів належать: клітинні культури, комп'ютерне моделювання, використання мініорганів та складних багатокомпонентних чіпів, а також епідеміологічні дослідження.
Важливо розуміти, що вони є не просто заміною експериментів на тваринах, а й новаторськими системами, здатними зробити революцію у медицині та наукових дослідженнях. І, на відміну від традиційних експериментів, приносять значний прогрес.
Діаграма: Можливості досліджень без використання тварин.
Більшість моделей, не пов'язаних з використанням тварин, не може передбачити, як реагуватиме організм людини в цілому. Однак експерименти на тваринах також не можуть це передбачити.
Тварини є взірцями повноцінних організмів. Проте не є підходящими моделями вивчення організму людини. У свою чергу, альтернативні методи, які не потребують використання тварин, пропонують нові можливості.
Такі методи застосовують людські клітини, тканини, мініоргани та складні чіпи з безліччю органів. З використанням спеціальних комп'ютерних програм, які працюють на основі даних про людину, вони надають точні результати. Вони не тільки значущі для людини, але й більш релевантні порівняно з даними, отриманими внаслідок експериментів на тваринах.
- In vitro: у пробірці; експерименти проводяться в штучних умовах, поза організмом або природним середовищем; об'єктами служать клітини чи тканини.
- In vivo: експерименти проводяться на живому організмі.
- In silico: комп'ютерне моделювання.
Чому використання клітин тварин - помилковий шлях
Багато сучасних методів випробувань використовує матеріал від тварин: клітини, тканини, органи чи відходи скотобоен. Такі моделі так само невиправдані, як і випробування на тваринах. З наукової точки зору немає сенсу досліджувати клітини чи органи тварин, оскільки вони походять з іншого організму.
Тому, як дедалі частіше визнають вчені, можуть давати серйозні неправильні результати. Наприклад, якщо сонцезахисний крем тестується на клітинах шкіри, отриманих від мишей, неможливо передбачити, як відреагує шкіра людини загалом чи її різні типи. Відмінності в структурі окремих шарів шкіри миші та людини, а також у чутливості типів людської шкіри надто великі.
Фетальна бича сироватка
Обнадіює те, що все більше дослідників працює з культурами клітин або тканин, щоб відмовитися від експериментів на тваринах. Однак для підтримки життя та зростання клітинних культур потрібне живильне середовище. Сьогодні для цього часто використовують так звану сироватку плода теляти. Її витягають із крові ненароджених телят, проколюючи їхнє серце голкою. Кров відсмоктують до тих пір, поки тіло не стане безкровним і теля не помре. Це не можна виправдати з етичного погляду. До того ж, існують живильні середовища, які науково перевершують ФБС, наприклад, людська кров.
3R - Reduce, Refine, Replace
У контексті "альтернативних методів" часто згадується термін 3R. Що це означає? 3R – це абревіатура від Reduce, Refine, Replace (Скорочення, Покращення, Заміна).
Вчені У. Рассел та Р. Берч запропонували так звану концепцію 3R. У цьому підході не заперечується застосування методу досліджень на тваринах. Проте акцент робиться на необхідність його покращити. Для цього пропонується використовувати заміну на системи, що викликають менше страждань, скорочувати кількість тварин, що використовуються в експериментах, і вдосконалювати умови їх утримання, зменшуючи, наприклад, больові відчуття та створюючи комфортніші умови.
Але досліди на тваринах у принципі не є відповідним джерелом отримання знань для медичних досліджень і неприпустимі з моральної точки зору. Дії, що зменшують кількість тварин або їх страждання, є косметичними виправленнями системи лженауки.
Тому ми закликаємо до скасування експериментів на тваринах, щоб прокласти шлях до медицини та досліджень, орієнтованих на людину. Такі альтернативні підходи ґрунтуються на вивченні причин, клінічних дослідженнях та профілактиці захворювань. Тільки так медицина може досягти реального прогресу.
Інноваційні методи без тварин
Клітинні культури
Культури клітин ростуть у комірках.
Культури клітин поділяються на первинні та постійні. Первинні клітини добуваються безпосередньо з організму. Наприклад, клітини людини можуть бути виділені з печінки, шкіри, хрящів або кісткового мозку. Зазвичай їх одержують із біологічних матеріалів внаслідок клінічно необхідних операцій, донорських органів, а також із плаценти та пуповини, що залишаються після пологів. Однак, життєздатність первинних клітин обмежена, і вони можуть бути вирощені лише протягом певного періоду часу.
На відміну від первинних, постійні клітини здатні до тривалої культурації, оскільки можуть безперервно ділитися і мають практично необмежену життєздатність. Зазвичай це клітини пухлин. Сьогодні існує безліч різних клітинних ліній, які забезпечують дослідницькі потреби.
Сучасні технології дозволяють "відтворити" навіть складні структури людського тіла у лабораторних умовах. Вченим вже вдалося відтворити людську шкіру з усіма її шарами, а також тривимірні моделі серця, печінки, хрящової тканини та кровоносних судин.
Наприклад, клітини серцевого м'яза можуть бути використані для вивчення фізіологічних процесів та дії препаратів для серця у контрольованих умовах. Більш того, всі шари рогівки людини можуть бути відтворені в пробірці, що надає унікальну можливість тестування краплей для очей.
Система, виготовлена із клітин печінки людини, підходить для тестування нових лікарських речовин. У порівняльному дослідженні протираковий засіб тестували паралельно у клінічному дослідженні на людях, щурах та системі клітин печінки людини. Результати експериментів на людях та на клітинах печінки збіглися. Експеримент на тваринах дав результат, що вводить в оману. (1)
Міні-органи та технологія органів на чіпі
У 2010 році вченим вперше вдалося виростити так звані органоїди. Це тривимірні культури клітин, які реалістично відображають функції людського органу. Вони виготовлені з людської шкіри або кореневих клітин волосся. За допомогою генної інженерії клітини перепрограмуються в індуковані стовбурові плюрипотентні клітини ( iPS ) і можуть розвиватися в клітини будь-якого типу.
Міні-органи або органіоди репрезентують моделі реальних органів розміром кілька міліметрів. Мініатюризація дозволяє автоматизувати процедури випробувань, щоб тисячі речовин можна було протестувати в найкоротший термін, надійно, недорого та швидко. І, на відміну від випробувань на тваринах, перенести на людину.
Системи " органів на чіпі " набирають популярності не тільки з етичних причин, адже рятують багато тварин від смерті у лабораторії, але й тому, що вони більш ефективні.
Вони закладають основу для персоналізованої медицини. У цій майбутній моделі пацієнт на чипі створюється з клітин пацієнта, на яких тепер можна тестувати спеціально створені для нього ліки.
Кишковий органоїд
Як молекулярні причини захворювань людини, так і терапевтичні підходи можна досліджувати з допомогою тривимірних клітинних моделей, як органоїди (2) .
Органоїди мозку («міні-мізки») або інші складні моделі нейронних клітин вже були вирощені у пацієнтів, які страждають на хворобу Альцгеймера (3), хворобу Паркінсона (4), шизофренію (5), аутизм (6) або хворобу Гентінгтона (7). У разі нейрологічних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, існує особлива потреба у створенні нових модельних систем, заснованих на людських клітинах, оскільки на даний момент дослідження на сотнях «тваринних моделей» не призвели до задовільних методів лікування.
Мультіорганний чіп - "міні-людина"
В американському університеті Корнелл розробили штучний організм на мікрочіпі. У системі мініатюрних коридорів та камер на мікрочіпі розміщуються людські клітини, наприклад, шлунка, кишківника, печінки, крові чи нирки. Діюча речовина циркулює у поживній рідині через чіп.
Таким чином, можна тестувати її вплив на окремі органи, обмін речовин та можливе утворення токсичних продуктів розпаду. Навіть захворювання людини можуть бути імітовані за допомогою мікрочіпа. Так, комбінації активних речовин можуть бути перевірені на ефективність та безпеку в "органах" чіпа, покритих раковими клітинами. Тести, які займають місяці, за допомогою чіпів можна провести за один-два дні. (9)
Вчені із берлінської компанії TissUse розробили мультиорганні чіпи. Вони оснащуються людськими клітинами, наприклад, кишківника, шкіри, печінки, нирок, які ростуть у тривимірному середовищі та імітують функціонування людських органів. Моделі органів з'єднані невеликими каналами, які за допомогою мікронасосу забезпечують природне живлення органів. Це дозволяє прогнозувати вплив ліків, косметичних інгредієнтів, хімічних речовин та харчових добавок на організм. (10).
Вчені з Університету Твенте в голландському Енсхеді розробили пристрій "лабораторія на чіпі", який дозволяє оперативно тестувати вплив ліків або токсичних речовин на людину. Чіп здатний імітувати реакції детоксикації у людському тілі. Таким чином, він дозволяє докладно досліджувати швидкі реакції, що відбуваються у людини, поза людським тілом, і замінює використання тварин для таких цілей. (11)
Мультіорганний чіп
NAT-Database - База даних методів досліджень без тварин
Численна кількість методів і технологій, що виключають використання тварин, була розроблена в галузях медицини та біології, особливо за останні 10 років, і щодня з'являються нові. За допомогою унікальної в світі бази даних NAT-Database ми надаємо інформацію про грандіозні можливості досліджень, не пов'язаних з використанням тварин.
Популяційні дослідження
Епідеміологічні дослідження мають неоціненне значення для здобуття знань про походження захворювань людини.
Епідеміологія – це наука про популяційні дослідження, тобто дослідження груп людей. Таким чином, можна виявити зв'язки між певними захворюваннями та способом життя та умовами життя людей, як харчування, звички та робота.
Епідеміологія розвивалася з урахуванням спостереження за інфекційними захворюваннями. У XIX столітті як причини епідемій того часу можна було виділити гігієнічні та соціальні проблеми. За наслідками епідеміологічних розслідувань можуть бути розроблені профілактичні заходи.
Так, наприклад, було виявлено зв'язок між курінням та раком. У 1950-х шкідливий вплив куріння все ще ставився під сумнів, не в останню чергу через результати експериментів на тваринах, що вводять в оману. Аналіз 7000 епідеміологічних досліджень хірургів у журналі "Про куріння та здоров'я" у 1964 році не залишив місця сумнівам: куріння сигарет викликає рак легень та хронічний бронхіт. (12)
Канцерогенні властивості азбесту заперечувалися десятиліттями, тому що щури переносять цю речовину набагато краще, ніж люди. Одне дослідження показало, що людина у 300 разів більш чутлива до азбесту, ніж щури.
В іншому дослідженні щурам доводилося вдихати концентрацію азбесту в 100 разів вище, ніж у робітників, які працюють з азбестом, для розвитку раку легенів і навіть у 1000 разів вище для розвитку раку очеревини та плеври. Хом'яки ще менш чутливі до азбесту. (13) Канцерогенні ефекти азбесту були остаточно виявлені в дослідженнях за участю робітників, пов'язаних з використанням азбесту.
Наші знання про шляхи передачі ВІЛ та заходи захисту від СНІДу ґрунтуються виключно на епідеміологічних дослідженнях. У разі СНІДу профілактика — це не лише найкращі ліки, а й єдині.
Ймовірно, найвідомішим і водночас найтривалішим епідеміологічним дослідженням є Фремінгемське, в рамках якого з 1948 року спостерігали за станом здоров'я серцево-судинної системи мешканців однойменного міста штату Массачусетс, США.
Більшість із 5 209 громадян, які брали участь в експерименті, вже померло, але дослідження буде продовжено з їхніми дітьми та онуками. Дані, що збиралися протягом десятиліть, дозволили отримати новаторське уявлення про фактори ризику, розвиток, прогресування та наслідки серцево-судинних захворювань.
Ще у 1960-х роках стало зрозуміло, що куріння, високий рівень холестерину, високий кров'яний тиск, ожиріння, малорухливий спосіб життя та психосоціальні фактори підвищують ризик серцево-судинних захворювань.
Мікродозування
Мікродозування – метод відкриття нових ліків, у якому добровольцям дають дуже невелику дозу потенційних ліків. Поглинання, розподіл, метаболізм та виведення речовини вимірюють за допомогою високочутливих методів. Мікродоза настільки мала, що не чинить фармакологічну дію на суб'єкт. Шлях речовини по організму відстежується за класичними зразками крові та сечі.
3D біологічний друк
За допомогою спеціальних 3D-принтерів із людських клітин, факторів росту та біоматеріалів можна відтворити реалістичні структури тканин або навіть органів. Тривимірний друк здійснюється пошарово, а отриманий біопринт має природні властивості цього органу. Біопринти можна використовувати різними способами при тестуванні ліків та хімічних речовин, а також для вирішення питань у фундаментальних дослідженнях.
Комп'ютерне моделювання / in silico
Технологічно просунуті комп'ютерні моделі можуть надати інформацію про структуру, ефективність та токсичність речовин, таких як нові лікарські препарати або хімічні речовини. Комп'ютерні моделі, такі як QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship, Кількісні Зв'язки Структури та Активності), ґрунтуються на даних, отриманих від людей.
Беручи до уваги молекулярну структуру речовини, можна передбачити її можливий вплив. Інші моделі, як CADD (Computer-Assisted Drug Development, Комп'ютерне Сприяння у Розробці Препаратів), використовуються фармацевтичною промисловістю, щоб на ранній стадії розробки ліків відсівати потенційно неєфективні або токсичні речовини.
Для тестування нової хімічної сполуки зазвичай проводиться ряд експериментів на різних видах тварин. Команда під керівництвом токсиколога, доктора медичних наук Томаса Хартунга зі Школи громадської охорони здоров'я Джонса Хопкінса Блумберга у Балтіморі розробила інтелектуальну комп'ютерну систему, що дозволяє обчислювати токсичність нових хімічних речовин з урахуванням величезної бази даних (14).
Ще у 2016 році було створено найбільшу у світі комп'ютерну токсикологічну базу даних. Вона містить інформацію про структури, властивості та можливі ефекти 10 000 хімічних сполук, заснованих на 800 000 токсикологічних тестах. Хоча, в основному, це дослідження на тваринах.
Тепер ця база даних доповнена алгоритмами машинного навчання, щоб краще аналізувати дані та створювати «карту» відомих хімічних структур та пов'язаних з ними токсичних властивостей.
Також використовують порівняння з хімічними речовинами аналогічної структури з відомими ефектами. Це дозволяє комп'ютерній програмі знаходити структурно споріднені хімічні речовини для речовин, які ще не були протестовані, і за дуже короткий час прогнозувати можливий токсичний вплив на шкіру та слизові оболонки або пошкодження ДНК.
На додаток до здатності нової системи надійно прогнозувати шкідливий вплив речовин — за умови, що як основа використовуються дані людини — комп'ютерний метод набагато дешевше і швидше у використанні, ніж експерименти на тваринах.
Візуалізаційні методи
Візуалізаційні методи відіграють важливу роль у вивченні захворювань людини. Дослідження за допомогою магнітно-резонансної терапії (МРТ) та комп'ютерної томографії (КТ), наприклад, дають важливі знання в галузі дослідження мозку – епілепсії, нейродегенеративних захворювань або діагностики пухлин.
Безперечні переваги методів без використання тварин
Науково добре продумані ін-вітро системи мають низку незаперечних переваг перед експериментами на тваринах:
- Надійність.
Моделі, засновані на даних або клітинах людини, дають добре відтворювані та однозначні результати, які неможливі в експериментах через, у тому числі, фізіологічні та анатомічні відмінності між людиною і твариною.
- Чутливість.
Ін-вітро системи часто реагують набагато чутливіше на токсичні дії, ніж живі тварини.
- Вартість.
Ін-вітро системи, коли вони вже впроваджені, значно дешевші, ніж експерименти.
- Тривалість.
Дослідження з використанням ін-вітро систем тривають кілька годин, тоді як дослідження на тваринах можуть тривати тижні, місяці чи навіть роки.
- Велика пропускна здатність для тестованих речовин.
За допомогою ін-вітро систем можна одночасно досліджувати велику кількість фармакологічних засобів або хімічних речовин, наприклад у токсикологічних дослідженнях. У той час як можливості тваринних систем обмежені у числовому вираженні.
Висновок
Методи без використання тварин – набагато більше, ніж просто “альтернатива” експериментам. Величезний спектр методів досліджень, що базуються на людині, дозволяє отримати надійні знання.
Таким чином, не лише тварин позбавляють жорстокої та безглуздої смерті в лабораторії. Повне припинення дослідів на тваринах просто необхідно, щоб звільнити шлях для обґрунтованих методів без використання тварин і не блокувати подальший прогрес у медицині.
Джерела
- 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