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动物实验替代方法是兼顾动物福利而同时满足科学发展需要的一种科学实验方法，它使动物实验的科学性得到提升与完善，是更为科学的研究手段。科学研究离不开动物实验，科学实验更需要动物实验替代方法。了解动物实验替代方法的内涵和研究内容，掌握动物实验替代方法相关技术，才能实现动物实验替代方法研究的科学发展，实现动物实验的科学替代。
（一）减少（reduction）
在遵循科学原则的基础上，通过合理的实验设计，使用比原方案少的实验动物获取同样多的试验数据；或使用一定数量的动物获得比原方案更多的试验数据的科学方法。
（二）替代（replacement）
使用没有知觉的实验材料代替活体动物，或使用低等动物替代高等动物进行实验，并获得相同实验结果的科学方法。
（三）优化（refinement）
通过改进和完善实验程序，避免、减少或减轻给动物造成的疼痛和不安，或为动物提供适宜的生活条件，以保证动物健康和康乐，保证动物实验结果的可靠性和提高实验动物福利的科学方法。
（一）动物实验的“减少性研究”
对一个实验来讲，动物使用量应是能达到实验目的的最小数量，绝不能以节省时间或为了操作方便以及其他不科学的原因（如动物实验支出过大）为理由，使用超过能获取有意义的实验结果所需要的最少动物数量。要达到这一目的，实验前的实验方案合理设计和实验结束后的实验数据统计学分析都是非常必要的。但也不能单纯为了达到减少动物使用数量而采取违反科学原则的做法。
（二）动物实验的“替代性研究”
对于认识和评价某个特定领域的替代方法是否有应用价值，存在不同观点。①在生物医学的许多领域中，应用体外方法不仅能够获得与动物实验所提供的相同信息，而且还能提供最佳的科学途径以解决某些难题。②替代方法仅可作为动物研究的补充，有助于减少动物使用量和改进以后的工作，但不可能完全取代动物实验。在替代方法的应用方面还需要注意的是，在基础性研究、教学示范、医药、化学试剂和化妆品的安全检测、有害环境和危险物品的检测等领域之间毕竟存在着差距，在应用替代方法时应具体考虑。特别是在法定的检验工作中，如果非动物实验（体外试验）要作为动物实验的替代方法被采纳的话，必须经过严格的验证，并由管理部门将其写入检定规程后才能在法定检验中使用。有关这方面的内容参见本章第四节。
（三）动物实验的“优化性研究”
优化包括诸多内容，总体说来是一个规范化和福利化的过程。在实验动物生产管理中，保证动物笼具有足够的空间和不断改善动物设施环境条件，以满足动物正常表达各种生物学特性；在动物实验中，由具有资格的技术人员按照规范的程序实施实验操作，实验中必要时尽可能地采用麻醉术，以减少因实验处理给动物造成的疼痛等。就生命科学发展历史和研究发展趋势来看，全面取代动物实验是不可能的，但是科技人员有义务也有责任去开展动物实验技术的优化研究，减少动物因实验所承受的痛苦。
（一）“减少”技术
1.已有研究数据的利用
获得科学数据的来源有很多，包括数据库、科学期刊、专业书籍、专题论文集、综述性文章、专题报告、参考手册、引文索引和数据参考书等。在一些专业网站和数据库里，可以查阅到大量与动物实验和替代方法有关的文献资料，可以满足从事不同研究的科技人员的需要。
2.实验数据的统计分析
运用统计学方法对动物实验数据（包括计量资料和计数资料）进行分析，可以了解动物实验结果的可信度和科学性，以确定是否需要做补充实验，实验结果是否可以被应用。如果实验结果有统计学意义，可减少盲目性的重复实验，避免实验动物资源的浪费。
3.替代方法的使用
应用包括离体的组织器官和组织细胞培养、化学物理方法、分子生物学方法、微生物学方法和免疫学方法以及各种先进的技术方法，可以达到减少动物使用的目的。利用体外方法代替动物实验或使用低等动物替代高等动物的实验方法，需经过严格验证后方可应用。
4.动物的重复使用
国外把动物的重复使用看作是对动物生命的尊重（因前一次实验结束后未处死动物，延长了动物生命），但在实际操作过程中，须从法律、伦理、科学与管理等方面给予明确说明。只有这样，研究中实验动物的重复使用才被认为是合理可行的，动物的重复使用可以减少科研工作中动物的使用量。
5.选择高质量的动物
实验动物质量直接影响实验结果，必须按照标准化要求选用遗传质量和微生物质量合格的实验动物。发生遗传污染的实验动物就更无法取得可靠的实验结果，微生物状况不仅是影响实验动物健康的重要因素，也是实验能否成功、取得的实验数据是否可靠的重要影响因素。
6.制定标准操作规程（SOP），提高动物实验成功率
实验中每一操作步骤都对最终的实验结果产生直接的影响。因此，对任何实验来说，制定并在实验进行中严格执行SOP是实验人员应给予高度重视的问题。
制定SOP时，在实验允许的前提下，还应对实验动物福利给予充分考虑，满足动物的各种正常生理需求，避免给动物造成疼痛、痛苦和抑郁等不良刺激，保证实验结果的准确性、科学性，提高动物实验的成功率，避免因动物实验重复而导致动物使用量的无谓增加。
7.加强协作研究，提高动物的利用率
通过有效的组织，加强不同检测实验室或研究组之间的协作，以达到利用较少的动物获取大量数据来说明动物实验的目的。比如，在小型猪质量研究工作中，协调不同的研究组，利用同一小型猪群体获取不同的实验材料，以开展病毒、细菌、寄生虫和遗传的检测，避免各自采样需要大量动物的弊端。在药品安全评价试验中，这方面的事例还有很多。
（二）“替代”技术
1.体外培养技术
体外培养包括器官培养、组织培养和细胞培养。长期以来，科学家把细胞培养看作动物实验最有希望的替代载体。用细胞替代动物进行有关实验，更容易对实验条件实施控制，减少影响因素，结果解释比较容易，使实验简单化。但值得注意的是，生命活动在一个简单系统中发生的反应并不全部与整体动物中某一组织器官的反应性相同，因而这种简单化也可能成为它的一个弱点，对此应该有足够的认识，这也是将从实验中获得的数据外推到人类的一个很大的障碍。
2.利用低等生物
在某些情况下使用低等生物，如细菌、真菌、昆虫、软体动物或水生动物，可以减少高等动物的使用量。如斑马鱼繁殖能力强，受精是在体外进行，受精后24小时内胚胎就已长出主要的组织器官，胚胎透明，便于观察其发育状况。因此，斑马鱼不仅成为发育生物学研究的重要模式动物之一，而且也愈来愈多地被用于环境污染监测和药物安全性评价。酵母已被广泛用做特异性基因的表达载体。如果这个特异性基因是抗体片段或疫苗抗原的编码，通过这种分子生物学技术可以替代常规抗体制备和疫苗生产的方法，减少动物的使用量。
3.单克隆抗体（McAb）的研究
McAb不仅解决了多克隆抗体非特异性的问题，而且显著地减少了为获得足够量的抗体需要免疫大量的动物。但随之而来的问题是，在McAb制备时仍需要一定数量的动物，特别是小鼠。目前，多数欧洲国家（如荷兰、瑞典、英国）已经发布了有关McAb生产指南，规定除极个别情况外，限制使用动物进行McAb的生产。为解决这一问题，目前已有多种体外技术可被利用。例如，培养杂交瘤细胞的体外发酵系统和中空纤维系统。通过体外系统的改进，现已大批量生产McAb。如何提高产量和McAb的效价，则是科学家进一步研究的课题。
4.生物物理或生物化学替代方法的研究
利用一些物理和化学的方法作为替代性方法来替代动物实验，在生物医学研究中已有应用，在菌苗生产过程中，应用亲和层析技术检测毒素和类毒素，这种方法不仅特异性好、快速，而且可以定性定量。由于整个系统为程序控制，使得重复性好。它与小鼠中和实验的结果相关性非常显著。
5.数学模型和计算机模拟
通过对化合物结构与它们可能具有的生物学活性两者之间关系的研究，利用计算机定向设计出新的化合物，或有目的地寻找那些最能与作用受体互补的结构基团，大大缩短新药研制开发的周期。利用这一知识，还可以预知许多新型化合物的生物学活性，包括它们的毒性，或通过研究使它们的分子结构发生微小变化而改变药物的作用效果，减少盲目进行大量化合物筛选的动物实验，从而大大减少实验动物的使用量。
科学家根据许多生命活动过程可以用数学公式来表达这一原理，利用计算机建立起许多生理生化、病理和毒理过程的数学模型，如以生理学为基础的药动学数学模型，根据有机体的各项生理参数、药物的化学特性和它的代谢潜力，对一种药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄作出预测，利用这种方法可以预测药物可能作用的靶组织以及对这些靶组织可能发挥的药效和产生的毒性，从而替代大量的动物实验初期筛选过程。
6.转基因动物的研究与应用
在医药学研究领域，由于转基因动物的应用大大减少了动物使用量，如携带有脊髓灰质炎病毒受体的转基因小鼠（TgPVR）替代灵长类动物，进行脊髓灰质炎病毒疫苗的神经毒试验，解决了灵长类动物来源困难、动物标准化程度低和使用管理方面隐含的一系列问题。需要注意转基因动物制作和应用引发的实验动物福利和伦理问题。
7.人类“自体模型”
利用人体或来源于人体的组织进行试验可避免种间差异带来的结果外推问题，如在热原质检测方面，应用人血体外试验来替代家兔体内试验和细菌内毒素实验，可以解决由于家兔质量而造成的实验结果不稳定以及细菌内毒素实验检测范围窄的问题。在人类可以出现的某些反应，如头晕、情绪的变化等在动物即检查不到，或出现的频率极低以至于无法检测到，某些实验探索可以通过志愿者在一定程度上解决这些问题。
8.“部分替代”思路和技术的实施
在整个研究过程中的某一阶段或某一步骤中使用替代方法，在获得实验数据的基础上，再决定随之要做的动物实验是否进行，以及如果要进行的话，是使用动物还是使用其他替代模型。这种研究思路可以推动替代方法在更大的范围内得到使用，避免了因不能全部替代动物实验而使替代方法被放弃的尴尬局面。
9.其他替代方法
在教学演示方面，从屠宰场获取牛的眼角膜，可作为一种体外眼刺激试验的替代物，替代常规毒性实验中Draize兔眼刺激性实验，减少动物使用量。
利用遥测技术对自由活动的动物多个参数进行不间断的测定，实验数据客观准确，不需要杀死动物，待动物测定完成后还可用于其他试验，使动物的使用量减少。
通过免疫鸡，从卵黄液中提取的抗体（IgY）可标记FITC、HRP和Biotin等，用于免疫学实验。这种方法不仅可以获得大量的抗体，而且还可减轻常规免疫方法给动物造成的痛苦，减少动物的用量。
（三）“优化”技术
“优化”技术的研究是相关因素不断变化和完善程度逐步递进的交替发展过程。研究内容涉及实验动物生产和使用两方面，总体说来优化是一个科学化、规范化和标准化的过程。
1.实验方案的优化
（1）实验的确立与获准：
在实施动物实验前必须具有充分的科学根据，确定和证明该实验的意义和必要性。动物实验方案需经过动物实验伦理审查委员会的批准后才能得以实施。如果没有令人信服的理由，也不允许重复进行相似的动物实验。
（2）实验动物的选择与使用：
在实验的必要性确立之后，首先应根据实验目的和要求选择适宜的实验动物。基本原则是：①与人体结构、功能、代谢及疾病特征要尽可能相似；②性状稳定；③反应特征明显；④效应指标易于监测；⑤易于获得；⑥便于饲养管理和实验操作；⑦经济；⑧最好有实验数据积累或已有相似使用基础的实验动物。
（3）造模方法和动物模型选择：
动物模型的制作方式和技术越来越多，用现代生物学技术制造的动物模型具有独特的生物学特性，各种特异性强的动物模型（如基因突变模型、转基因模型、基因敲除模型等）比一般模型更具有针对性。这一点在动物实验方案的设计中应给予特别考虑。
（4）研究设计与统计分析：
在实施一项动物实验研究之前，必须要对研究的内容、方法和步骤进行科学、全面的设计，应遵循“对照”、“重复”和“随机”三个基本原则，以使动物实验研究得以顺利进行。科学合理的研究设计以及对结果的统计学分析既可减少动物的使用量，又可获得准确的实验结果。
2.实验指标的优化
实验指标的选取应该尽量全面。实验动物是活的生命体，其生理功能和生理反应是随时间变化的一个复杂过程，单一的测量指标无法说明复杂的变化。因此，应尽可能全面地将实验过程中动物的变化记录下来，包括体重、饮食、活动异常等变化。同时，采样时间、采样部位、采样方式也应予以固定。
3.实验技术的优化
（1）麻醉技术：
麻醉可以减轻动物在实验过程中所承受的痛苦。麻醉剂、麻醉剂量和麻醉方式选取不当，都会造成麻醉和整个实验成败。研究动物（年龄、体重、性别、生理、健康状况等）因素、环境（温度、湿度、空气的流速、洁净度等）因素和药物因素对麻醉效果的影响，选用适宜的麻醉药，以提高麻醉质量。研究麻醉中可能出现的意外和处理措施，避免因麻醉导致的动物死亡。同时，还要避免因麻醉本身及其不良反应对观察指标和试验结果的影响。
（2）实验操作技术：
实验人员应经过培训，熟练掌握动物的抓取、注射、取样、测量、剖检等操作技术。在实验前对实验犬进行反复训练，并给予抚摸关怀，实验时动物则主动配合。相反，有些技术人员必须将挣扎不止的动物捆住才能完成取样操作。不言而喻，在这两种情况下动物的痛苦和紧张程度是完全不同的，所取得的实验结果也肯定不同。
（3）仁慈终点：
仁慈终点（humane endpoint）作为一种减轻动物疼痛和痛苦的优化方法，可供科研人员选择。科研人员通过实际观察或利用录像等手段，将实验中动物的一些外在表现记录下来，经过分析发现，这些外在表现是按照一个固定的模式向着一个方向的有序发展过程。那么，在不影响实验结果判定的前提下，“人为”地确定某一个点（或阶段）及时终止实验，既可缩短实验时间，也可减轻实验后期动物所要承受的痛苦。“人为”选择的这一点（或阶段）就称为仁慈终点。仁慈终点可以作为终止实验或开始适当治疗的一种指示，采用安乐死术处死动物或开始治疗。
（4）实验环境条件的优化：
实验环境条件（温度、湿度、噪声、氨浓度、照明度、笼器具的材料和大小、饲料、饮水、垫料、实验用具等）对实验动物以及实验结果的影响是不可忽视的重要因素，各国在这些方面都有明确具体的规定。特别是在一些长期实验或动物行为学研究中，还要充分考虑动物生理和心理上的需求。
（5）安乐死术：
在实验结束时，实施安乐死术以减轻动物死亡前所承受的疼痛和痛苦也是优化的研究内容。其基本原则是：不影响实验结果的准确性和对结果的分析；动物死亡过程尽可能短；所采用的方法具有可行性。实验前应该对安乐死术的方式给予确定，以便对在实验过程中死亡的动物和实验结束时需要处死的动物实施安乐死术。