摘要：在生物医学研究与药物开发的历史长河中，动物模型与永生化细胞系曾是不可或缺的核心工具，支撑了无数重大发现与技术突破。然而，随着精准医学、高通量技术的快速发展以及社会伦理认知的提升，传统实验模型的局限性日益凸显，难以满足现代科研对效率、转化性与伦理合规性的多重需求

在生物医学研究与药物开发的历史长河中，动物模型与永生化细胞系曾是不可或缺的核心工具，支撑了无数重大发现与技术突破。然而，随着精准医学、高通量技术的快速发展以及社会伦理认知的提升，传统实验模型的局限性日益凸显，难以满足现代科研对效率、转化性与伦理合规性的多重需求。2025 年发表于《Nature》的综述文章《替代动物实验是未来 —— 期刊、资助机构与科研人员应拥抱它们》，以敏锐的视角捕捉到这一科研范式转型的关键节点，系统阐述了替代实验方法的发展现状、推动因素与实施路径。本文基于该综述核心观点，结合当前生物医学研究的实际场景，深入拓展分析，旨在全面呈现这场科研方法革命的深层逻辑与实践方向，为科研社群、政策制定者及相关机构提供更具操作性的参考框架。

生物医学研究对动物模型的依赖，源于其在模拟复杂生命系统方面的早期优势。自 19 世纪以来，小鼠、大鼠、非人灵长类等动物模型逐步成为基础生物学研究、疾病机制探索与药物安全性评价的 “黄金标准”。永生化细胞系则凭借培养成本低、操作便捷、可无限增殖等特点，成为体外实验的主流选择。长期以来，这两类模型共同构建了生物医学研究的实验体系，推动了抗生素、疫苗、抗癌药物等众多医疗成果的落地。

但进入 21 世纪后，传统模型的适配性问题开始集中暴露。科研界逐渐意识到，依赖动物模型与传统细胞系的研究模式，正面临来自科学价值、伦理要求与社会期待的三重挑战。这一认知转变并非偶然，而是源于大量科研实践的教训与技术发展的推动。一方面，药物研发的低转化率成为倒逼改革的直接动因 —— 据统计，全球进入临床前研究的药物中，约 90% 能在动物实验中显示出疗效与安全性，但最终通过人体临床试验获批上市的比例不足 10%。这种巨大的转化鸿沟，不仅造成了研发资源的严重浪费，更延误了疾病治疗的突破时机。另一方面，随着细胞生物学、工程学、人工智能等跨学科技术的融合发展，构建更贴近人类生理状态的实验模型成为可能，为替代传统方法提供了技术支撑。

在此背景下，“替代动物实验” 不再是伦理主义者的理想主义呼吁，而是科研社群基于实际需求的理性选择。研究者、期刊编辑与资助机构开始集体反思：当传统模型无法准确预测人体反应、难以反映疾病的复杂性时，是否需要重新定义科研的 “有效性标准”？当替代方法在技术上已具备可行性时，如何打破既有体系的路径依赖，推动科研生态的系统性调整？这些问题的提出，标志着生物医学研究正从 “被动依赖传统模型” 向 “主动选择最优方法” 的觉醒转型。

动物模型与人类在生理结构、代谢途径、免疫反应等方面存在本质差异，这是导致研究结果难以转化的核心症结。以神经系统疾病研究为例，小鼠的大脑结构与人类相差甚远，其淀粉样蛋白沉积机制与阿尔茨海默病患者的病理特征存在显著区别，这使得许多在小鼠模型中显示出显著疗效的药物，在人体临床试验中均以失败告终。同样，在肿瘤研究中，小鼠肿瘤模型多为同种移植或异种移植构建，缺乏人类肿瘤的异质性、微环境特征与免疫背景，导致基于动物模型的靶向药物筛选结果与临床实际疗效偏差较大。

永生细胞系的局限性同样突出。这类细胞多来源于肿瘤组织或经病毒转化获得，其基因表达谱、细胞周期调控与信号通路已发生永久性改变，与正常人体细胞的生理状态相去甚远。例如，广泛使用的 HeLa 细胞系因长期培养出现染色体异常，其研究结果难以反映正常宫颈上皮细胞的生物学特性。此外，传统细胞系多采用二维培养模式，缺乏体内的组织架构、细胞间相互作用与微环境信号，无法模拟复杂的生理病理过程，导致研究结果的生物学意义大打折扣。

随着动物福利理念的普及与生命伦理认知的提升，动物实验面临的伦理审查压力日益加大。全球范围内，动物保护组织与公众对动物实验的关注度持续升温，要求限制甚至禁止动物使用的呼声不断高涨。从伦理原则来看，动物作为具有感知能力的生命个体，其生存权与福利应得到尊重，而传统动物实验中不可避免的痛苦、伤害与死亡，与现代社会的伦理价值观存在冲突。

为回应伦理诉求，各国纷纷出台严格的动物实验监管法规。欧盟于 2010 年实施的《动物实验指令》明确要求，只有在无替代方法可用、且实验目的为保护人类健康或环境等前提下，才能进行动物实验，并对实验动物的饲养、操作与安乐死流程作出严格规定。美国、日本、中国等主要科研大国也相继完善动物福利法规，强化对动物实验的伦理审查与监督。这些法规的实施，使得动物实验的审批流程更加复杂，科研人员需要投入更多精力满足伦理要求，客观上推动了替代方法的需求。

动物实验的高成本与长周期，已成为制约科研效率的重要因素。以药物临床前安全性评价为例，一项包含小鼠、大鼠、犬等多种动物的长期毒性实验，往往需要消耗数十万元甚至数百万元的经费，实验周期长达 6-12 个月。此外，动物实验的可重复性差也是突出问题 —— 不同实验室的动物品系、饲养环境、操作流程差异，可能导致相同实验得出截然不同的结果。据统计，生物医学研究中约 50% 的动物实验结果无法被重复验证，这不仅浪费了大量科研资源，也影响了科研结论的可信度。

永生细胞系虽然成本较低，但因其生理相关性不足，往往需要通过大量后续实验验证结果的可靠性，间接增加了研究成本。同时，传统细胞系的二维培养模式无法满足高通量筛选的需求，限制了药物研发的效率。在精准医学时代，科研项目需要快速响应临床需求、处理大量样本与数据，传统模型的低效率特征已难以适配这一发展趋势。

《Nature》综述明确指出，替代动物实验的方法并非单一技术，而是涵盖了多种新兴平台的技术体系，这些方法在生理相关性、效率与伦理合规性方面具有显著优势，正在逐步从边缘化工具走向科研主流。

类器官（Organoids）是由干细胞（包括胚胎干细胞、诱导多能干细胞与成体干细胞）在体外培养形成的三维细胞集合体，能够模拟对应器官的结构特征、细胞异质性与功能特性。与传统二维培养的细胞系相比，类器官更贴近体内组织的生理状态，可重现器官的发育过程与疾病病理变化。例如，人类肠道类器官能够模拟肠道的绒毛结构与屏障功能，可用于研究肠道疾病的发病机制与药物吸收过程；大脑类器官则能重现神经细胞的分化与连接，为神经系统疾病研究提供了更精准的模型。

器官芯片（Organ-on-a-Chip）是在类器官技术基础上发展而来的微流控系统，通过在芯片上构建微型化的器官模型，整合细胞、基质与流体环境，模拟体内的生理流动与组织间相互作用。例如，肝脏 - 肾脏芯片可同时模拟肝脏的代谢功能与肾脏的排泄功能，用于评估药物的代谢途径与肾毒性；肺芯片则能模拟肺部的呼吸运动与屏障功能，为呼吸系统疾病研究与药物筛选提供了全新工具。目前，类器官与器官芯片技术已在肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病等多个领域得到应用，其研究结果与人体临床数据的相关性显著高于传统动物模型。

人源诱导多能干细胞（iPSCs）技术的突破，为构建个性化实验模型提供了可能。iPSCs 可通过将成人体细胞（如皮肤成纤维细胞、血液细胞）重编程获得，具有分化为人体各类细胞的潜能，且保留了供体的遗传背景。利用 iPSCs 构建的疾病模型，能够精准反映患者的基因突变特征与病理表型，为罕见病研究、个性化药物筛选提供了理想工具。例如，针对遗传性心肌病患者的 iPSCs 分化为心肌细胞后，可用于模拟疾病的发病过程，筛选针对性的治疗药物。

除 iPSCs 外，初代人体细胞也是重要的替代模型资源。初代细胞直接来源于人体组织，保持了正常的细胞功能与生理特性，避免了永生细胞系的基因变异问题。虽然初代细胞存在培养周期短、增殖能力有限等缺点，但随着培养技术的进步，其规模化应用已成为可能。例如，初代肝细胞被广泛用于药物代谢与毒性评价，其结果比动物肝细胞更能反映人类的药物代谢特征。

随着生物信息学、系统生物学与人工智能技术的发展，计算建模（In Silico Modeling）已成为替代动物实验的重要手段。通过整合基因组学、转录组学、蛋白质组学等多组学数据，构建生物系统的数学模型，可模拟药物与靶点的相互作用、疾病的进展过程以及药物在体内的代谢路径。

人工智能技术的介入，进一步提升了计算建模的准确性与效率。机器学习算法可通过分析大量已有的药物数据、临床数据与实验数据，预测药物的疗效、毒性与安全性，显著降低实验成本与周期。例如，DeepMind 开发的 AlphaFold2 工具能够精准预测蛋白质的三维结构，为药物靶点筛选与药物设计提供了强大支持；基于深度学习的毒性预测模型，可通过分析化合物的化学结构，预测其对人体的潜在毒性，准确率已达到 80% 以上。目前，计算建模已被广泛应用于药物发现的早期阶段，帮助科研人员快速筛选候选化合物，减少不必要的动物实验与体外实验。

高通量自动化技术的发展，为替代方法的规模化应用提供了保障。通过整合机器人技术、微流体芯片、自动化检测设备与大数据分析系统，高通量平台可实现实验操作的自动化、微型化与标准化，大幅提升实验效率与数据可靠性。例如，高通量药物筛选平台能够同时处理数千甚至数万个化合物样本，在短时间内完成药物活性与毒性的初步筛选；微流体芯片技术则可实现细胞培养、实验操作与检测分析的一体化，减少样本用量与实验成本。

高通量自动化平台的优势不仅在于效率提升，更在于数据的标准化与可重复性。通过自动化操作避免人为误差，结合统一的检测标准与数据格式，能够显著提高研究结果的可靠性与可比性。这一特点对于药物研发、毒理评价等需要大量数据支撑的领域尤为重要，有助于解决传统实验中数据重现性差的问题。

《Nature》综述强调，替代动物实验的转型并非孤立的技术变革，而是科研生态、资助政策与社会期待共同作用的结果。当前，多方合力形成的推动机制，为替代方法的普及创造了有利条件。

科研期刊作为学术成果传播的核心载体，其政策导向对科研人员的研究选择具有重要影响。近年来，越来越多的顶级期刊开始调整发表标准，鼓励或要求研究者使用替代实验方法。例如，《Nature》《Cell》等期刊在发表涉及动物实验的研究时，要求作者详细说明是否存在替代方法，以及选择动物实验的合理性；部分专注于毒理学、药物研发的期刊，如《Toxicological Sciences》《Journal of Pharmaceutical Sciences》，已设立 “替代方法” 专栏，优先发表采用非动物实验方法的研究成果。

期刊的政策调整，本质上是对科研质量与社会责任的双重考量。通过鼓励替代方法的应用，期刊不仅推动了科研方法的创新，也回应了社会对动物福利的关注。对于科研人员而言，顺应期刊的发表导向，采用替代方法开展研究，已成为提升研究成果竞争力的重要途径。

多国资助机构已将非动物实验方法纳入优先资助范围，通过资金支持引导科研方向的转型。美国国立卫生研究院（NIH）设立了 “替代方法研发专项基金”，每年投入数亿美元支持类器官、iPSCs、计算建模等替代技术的研发与应用；欧盟通过 “地平线 2020”“地平线欧洲” 等科研框架计划，将非动物实验方法作为重点资助领域，支持跨学科团队开展替代模型的标准化与验证研究；中国国家自然科学基金委员会也在近年来的项目指南中，明确将 “新型实验模型与替代技术” 列为优先支持方向，鼓励科研人员开展相关创新研究。

除了直接的资金支持，资助机构还通过优化评审机制推动替代方法的应用。例如，部分资助机构在项目评审中，对采用替代方法的申请给予额外加分；在预算审批中，为替代技术的研发与设备采购提供专项支持。这些政策调整，有效降低了科研人员采用替代方法的成本与风险，激发了其创新积极性。

科研人员作为研究活动的主体，其责任意识的提升是推动转型的核心动力。随着对传统模型局限性的认识加深，越来越多的科研人员意识到，采用更贴近人类生理状态的替代方法，是提高研究转化性、减少资源浪费的关键。同时，科研人员也面临着来自社会公众的期待 —— 公众对动物实验的接受度日益降低，对科研的伦理合规性提出了更高要求。作为社会知识生产的重要群体，科研社群需要通过技术创新回应社会期待，承担起保护动物福利、提升科研社会责任的使命。

此外，行业协会与学术组织也在推动替代方法普及中发挥了重要作用。例如，国际替代方法评估与验证协调委员会（ICCVAM）、欧洲替代方法验证中心（ECVAM）等机构，致力于替代方法的验证与标准化研究，为科研人员提供技术指导与数据支持；各类学术会议也纷纷设立替代方法专题论坛，促进跨学科交流与合作。这些平台的搭建，加速了替代方法的技术传播与应用推广。

《Nature》综述明确指出，替代动物实验的转型并非简单的 “否定动物模型”，而是构建一种更科学、更高效、更具伦理包容性的科研体系。这一转型过程面临着技术、制度、人才等多方面的挑战，需要多方协同发力，采取系统性的解决方案。

替代方法的规模化应用仍面临三大瓶颈：一是标准化不足，不同实验室的操作流程、检测指标与数据格式缺乏统一标准，导致研究结果难以比较与整合；二是可重复性有待提升，部分替代模型（如类器官）的培养过程复杂，受多种因素影响，其稳定性与可重复性仍需优化；三是数据共享机制不完善，替代实验的相关数据分散在不同实验室，缺乏统一的共享平台，导致技术推广与验证效率低下。

此外，人才短缺与设备成本也是制约转型的重要因素。替代方法多为跨学科技术，需要科研人员具备生物学、工程学、计算机科学等多领域的知识储备，而目前相关复合型人才的培养尚不能满足需求；替代技术的研发与设备采购需要大量资金投入，部分中小型科研机构与企业难以承担，限制了其普及范围。

期刊应进一步明确替代方法的发表标准，建立专门的替代方法评审通道，吸引高质量研究成果发表。具体措施包括：在投稿指南中详细说明替代方法的报告要求，鼓励作者提供替代模型的验证数据；组建跨学科评审团队，确保对替代技术的评审专业性；设立 “替代方法创新奖”，表彰在该领域取得突破性进展的研究成果。同时，期刊应推动数据共享，要求发表论文时提供相关实验数据与操作流程，为其他科研人员提供参考。

资助机构应进一步优化资助战略，加大对替代方法标准化、验证与推广的支持力度。具体包括：设立替代方法专项基金，支持跨学科团队开展标准化研究；建立替代方法验证平台，组织开展多中心验证研究，为替代方法的认可提供数据支撑；在项目评审中，将替代方法的创新性与可行性作为核心评审指标，鼓励科研人员开展风险较高的技术创新；为中小型科研机构与企业提供专项补贴，支持其采购替代技术设备与开展相关研究。

高校与科研机构应调整人才培养方案，在生物学、医学、工程学等相关专业中增设替代方法课程，培养学生的跨学科知识储备与创新能力。例如，开设 “类器官技术”“计算毒理学”“微流控芯片技术” 等课程，结合实验教学与科研实践，提升学生的实操能力；鼓励研究生开展替代方法相关研究，培养专业人才。同时，科研机构应开展在职培训，为现有科研人员提供替代技术的学习机会，帮助其更新知识结构，适应科研范式转型。

替代方法的发展需要生物学、工程学、材料学、计算机科学等多学科的深度融合。科研团队应打破学科壁垒，组建跨学科协作团队，针对替代方法的关键技术问题开展联合攻关。例如，生物学家与工程师合作优化类器官的培养体系与芯片设计；计算机科学家与药理学家合作开发更精准的药物预测模型。此外，应鼓励企业参与替代技术的研发与转化，通过产学研合作，加速替代方法的产业化应用，降低技术推广成本。

科研界应联合建立全国性乃至全球性的替代方法数据共享平台，整合不同实验室的实验数据、操作流程与验证结果，为科研人员提供免费的查询与使用服务。平台应制定统一的数据标准与格式，确保数据的规范性与可比性；建立数据质量控制机制，对上传数据进行审核与验证，保障数据可靠性。同时，应加强替代方法的验证研究，组织多中心、大样本的验证实验，为替代方法的官方认可提供依据。例如，通过与监管机构合作，将经过验证的替代方法纳入药物评价指南，推动其在行业内的广泛应用。

对于科研人员而言，替代动物实验的转型既是挑战，也是提升研究竞争力的重要机遇。不同领域的科研人员应结合自身研究特点，积极调整研究策略，在转型过程中实现创新突破。

药物研发人员应逐步构建 “替代方法为主、动物模型为辅” 的筛选体系。在药物发现早期，利用计算建模与高通量筛选平台快速筛选候选化合物，减少初始筛选阶段的动物实验用量；在药物优化阶段，采用类器官、iPSCs 模型进行针对性评价，提升药物的人体相关性；在临床前评价阶段，将替代方法与动物实验相结合，通过多模型验证提高药物研发的成功率。同时，应积极参与替代方法的标准化研究，将自身的实验数据与操作流程贡献到共享平台，提升研究的行业影响力。

基础研究人员应根据研究问题的特点，选择最适合的实验模型。对于涉及人类特异性疾病机制的研究，优先采用人源 iPSCs 模型、类器官等替代方法，提高研究结果的针对性；对于需要整体动物模型验证的研究，可采用 “替代方法初步探索 + 动物模型验证” 的模式，减少动物使用量。此外，应注重跨学科技术的融合应用，例如利用微流控芯片技术构建复杂的组织间相互作用模型，模拟体内的生理微环境，提升研究的深度与创新性。

科研人员在投稿时，应突出研究中替代方法的应用优势，详细说明替代方法的选择依据、验证结果与创新点，契合期刊的发表导向；在撰写论文时，按照统一标准报告替代实验的操作流程与数据，提高研究的可重复性。在申报资助时，应紧密结合资助机构的政策导向，选择替代方法相关的研究方向作为申报重点；在项目申请书中，详细阐述替代方法的技术可行性、创新点与预期成果，突出项目的科学价值与社会意义。

替代动物实验的转型，是生物医学研究发展的必然趋势，也是科技进步与社会伦理发展的共同要求。这一转型不仅关乎技术方法的更新，更关乎科研范式的重构 —— 它要求科研界重新定义 “科学有效” 的标准，构建以人类生物学为核心、以效率与伦理为导向的科研体系。

期刊、资助机构与科研社群的协同发力，是推动转型成功的关键。通过完善政策导向、加强技术创新、培养复合型人才、构建共享平台，能够逐步打破传统模型的路径依赖，实现替代方法的规模化应用。对于科研人员而言，主动拥抱这一转型趋势，将替代方法融入研究实践，不仅能够提升研究的转化性与竞争力，更能为保护动物福利、推动科研可持续发展贡献力量。

正如《Nature》综述所强调的：“我们已不是选择是否替代动物，而是如何以及何时完成替代。” 随着技术的不断进步与生态的逐步完善，替代实验方法将成为生物医学研究的主流工具，为人类健康事业的发展注入新的动力。在这一转型过程中，每一位科研人员、每一家机构都将成为这场革命的参与者与推动者，共同迈向更科学、更高效、更具伦理责任感的生物医学研究新时代。

Heron T. J., Bruning-Richardson A., Gough J. E., Miller A. F., Pilkington G. J., Greenman J., Speirs V. & Wu J. C. (2025). Alternatives to animal testing are the future — it’s time that journals, funders and scientists embrace them.Nature, 646, 799-801.

来源：医学顾事