NIH与FDA新政，动物试验失宠？未来临床前试验何去何从？

原文发表于“大橡科技”公众号，题目“突破无动物研究壁垒，类器官芯片为代表的新方法学崛起正当时”

摘要：是什么导致了药物临床试验中超过92%的失败率？动物模型与人类之间的差距究竟在哪里？未来临床前试验路在何方？

引言

数百年来，动物模型因与人类在遗传和生理上的相似性，常被视为生物医学研究的“金标准”。但如今，教科书正在面临改写！

近日，美国国立卫生研究院（NIH）明确表示，从2025财年开始，将不再资助仅依赖动物模型的临床前研究，而美国食品药品监督管理局（FDA）也与NIH联合举办专题研讨会，加速推动新方法学（New Approach Methodologies, NAMs，即非动物测试方法）的开发与应用。随后，欧盟委员会在最新发布的《欧洲化学工业行动计划》中明确表示：将通过技术创新与政策引导，系统性升级化学品安全评估体系，加速采用计算机模拟、类器官为代表的新方法学（NAMs）等非动物实验手段，并计划在2026年制定并发布逐步淘汰化学品评估中动物实验的路线图。可以预见，相关政策将深刻影响全球医药科研与产业生态。

动物试验涉及一个巨大的产业链条，而FDA的新政常被众多国家视为未来相关领域监管的风向标。那么，是什么因素推动了FDA等监管机构做出如此重大的转变？是什么导致了药物临床试验中超过92%的失败率？动物模型与人类之间的差距究竟在哪里？未来临床前试验路在何方？本月 7 日新发表的综述文章《Breaking Down the Barriers to Animal-Free Research（打破无动物研究的障碍）》探讨了这些问题，给出了富有启发性的答案。

作者提出，动物与人类之间存在显著的生理和遗传差异，这影响了跨物种的研究结果转化。在临床试验中的高失败率主要在于动物数据未能预测的安全性和有效性问题。这也导致将新医药疗法推向市场的平均成本高达1300万至4000万美元（9360万至2.88亿人民币），同时一些本可能在人类身上成功的疗法则被错过。这突显了推进更具预测性、更符合人类相关性的研究和测试的重要性……

动物与人差异何来？

1. 人类与动物在遗传和生理上的差异导致的转化问题

动物因与人类在生理和遗传上存在部分相似性而常用于研究，但这些相似性有限，限制了动物模型数据在疾病研究中的可转化性。例如：

· 小鼠与人类：小鼠与人类基因同源性约为85%，但非编码区同源性常低于50%，影响基因表达和蛋白功能（如CYP酶家族，负责80%药物代谢，其在人类与小鼠间的小氨基酸差异导致底物特异性和酶活性差异）。此外，小鼠与人类在皮肤、胃肠道、心脏、代谢率、免疫系统和神经系统等方面存在显著生理差异，如小鼠脑缺乏人类脑的沟回结构，神经元功能和腺体结构也有差异。

·  非人灵长类动物（NHPs）：如猕猴与人类的基因同源性为90.76%，但人类特异性突变（如基因倒位、重复和易位）导致基因表达差异。CYP酶在猕猴中的氨基酸序列与人类同源性为68-97%，小差异影响代谢和毒性测试结果。免疫系统差异（如免疫球蛋白G和Fc受体）限制了NHPs在HIV研究中的有效性。在阿尔茨海默病（AD）研究中，NHPs虽有类似β-淀粉样蛋白积累，但磷酸化tau和认知衰退程度与人类不同。

这些遗传和生理差异限制了动物数据在人类疾病研究中的直接应用。

图 1 小鼠和人类解剖学、免疫学和生物化学的比较。该图概述了小鼠（左侧）和人类（右侧）几个关键器官之间的主要差异。这些器官包括（从上到下列出）：大脑和中枢神经系统（蓝色）；心脏（红色）；肺（粉色）；胃肠道（棕色/赭色）；胰腺（黄色）；以及免疫系统（骨髓和淋巴系统产生白细胞，绿色）。

2. 实验室环境和应激对动物实验数据的干扰

实验室环境中的应激因素与自然环境不同，更加慢性且不可避免，导致动物生理、心理和表观遗传变化，影响实验结果的可靠性。

·  应激影响：实验室应激（如通风系统噪音、人工光照、实验操作、限制性笼养等）激活应激激素分泌，引起高血压、心率升高、免疫反应紊乱及心血管疾病、癌症和胃肠道疾病等。一项小鼠痛觉敏感性研究显示，环境应激导致42%的实验变异性。

·  表观遗传变化：实验室应激引起表观遗传改变，可遗传至后代，增加心脏病、哮喘、自身免疫疾病和糖尿病等疾病风险。

这些变化限制了动物实验数据对人类疾病的适用性。

NAMs在减少和替代动物研究中的应用

NAMs的类型与优势非动物测试方法（NAMs）包括体外人类细胞模型（in vitro）和计算模型（in silico），正在学术界和工业界得到广泛开发，因其预测力高于动物模型且能减少或消除动物实验带来的伦理问题。

·  体外计算模型：利用已有数据集，通过数学建模和计算机模拟预测实验结果，可用于预测新药代谢产物、筛选可重新用途的现有药物以及评估化学物质毒性。

·   体外人类模型：包括三维水凝胶（模拟3D组织环境）、球形体（spheroids，模拟肿瘤或骨髓微环境）、类器官（organoids，由干细胞生成，模拟器官形成、遗传病或癌症）以及器官芯片（OoC）。器官芯片通过微流控系统操控微量液体（10⁻³至10⁻¹⁰毫升），使用玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或天然/合成聚合物等材料，构建含多个孔道和互连通道的芯片。这些芯片可培养多种细胞类型（如球形体、类器官或原代细胞），模拟单一或多器官系统。器官芯片能精确控制化学和物理梯度，模拟体内条件，适用于疾病机理研究、化学物质和疗法测试以及个性化医学。

·  多器官芯片（MOoC）：通过整合多个器官模型，MOoC模拟器官间信号传导，提供更具生物相关性的数据，可用于研究转移性疾病、评估新疗法的脱靶效应，并结合体外计算模型预测安全剂量，优化抗癌药物效果并减少对健康细胞的影响。

NAMs具有优异的可重复性、成本效益和与人类生理的高度相关性，优于动物模型，适合临床前测试，有望逐步或完全替代动物实验。

图 2 目前研究中使用的 NAMs 类型示例。该图说明了正文讨论的人体模型系统。QSAR :定量构效关系；ADME :吸收、分布、代谢和排泄；PDMS :聚二甲基硅氧烷。

NAMs采纳的障碍及应对策略

NAMs采纳的障碍

1.  可靠性忧虑

许多动物研究者认为新兴的NAMs（如体外和体外计算模型）不如动物模型可靠，且对新方法不熟悉，导致采纳意愿低。荷兰的一项调查显示，“可靠性”是NAMs应用的主要障碍，尽管动物模型本身在预测人类药物疗效和安全性方面存在局限，约40-50%的临床试验因疗效不足失败，20-30%因毒性问题失败。动物毒性数据无法准确预测人类毒性，导致临床试验成本高昂、失败率高，甚至可能引发严重副作用或伤害。动物实验还面临重复性差的问题，原因包括实验报告不完整、缺乏盲法、低统计能力和不当统计分析。因此，需考虑更人性化、标准化的替代方法。尽管如此，研究者对NAMs替代动物研究的能力仍存疑虑，但若体外计算模型（如预测药物代谢产物的GLORY软件）或体外模型（如器官芯片模型）显示更高预测性，研究者可能更愿意转向NAMs。事实上，NAMs已成功用于新疗法评估，其数据被临床试验申请接受，显示出其预测人类疗效和安全性的潜力（原文列出的表格给出多个实例）。

2.  发表偏见

纯NAMs研究难以发表，原因在于审稿人常要求补充动物实验数据（“动物方法偏见”）。一项调查显示，31%的研究者因预期审稿要求而预先使用动物方法，44%被要求补充动物数据。尽管样本量较小，但表明出版偏见存在。动物模型的复杂性并不一定使其成为最佳模型，高临床试验失败率即为证明。相反，NAMs可扩展用于特定的人类交互建模，生成可重复的疾病和药物测试模型。

3.   资金短缺

NAMs研究资金不足。在英国，过去五年UKRI为NAMs投入5000万英镑，但2024年政府研发总预算为204亿英镑，动物研究获更多资金。荷兰的NAMs资金约为动物研究的一半。低收入和中等收入国家（如印度，2016-2020年间仅0.2%的生物技术资金用于NAMs）缺乏专门的NAMs预算，限制了其发展。

最后，监管框架的适应性也是一个挑战，现有法规多基于动物实验数据，NAMs数据的接受度仍需进一步规范。

应对策略

1. 增强知识普及：

通过教育提升对NAMs的信心，包括在大学课程中融入NAMs教学、举办研讨会和培训（如Animal Free Research UK的器官芯片大师班、PETA的动物替代研讨会、2024年美国NAMs暑期培训）。通过会议展示成功案例、出版NAMs研究成果，推动研究者接受NAMs。

2. 增加资金支持：

加大对NAMs开发和验证的资助，如英国、欧盟和美国的资助计划。公私合作促进NAMs验证和接受。印度ICMR的卓越中心也为全球NAMs研究提供数据支持。增加NAMs专项资金激励可推动研究者转向非动物方法。

3. 促进协作：

加强学术界、工业界、监管机构和政府间的合作，促进知识和资源共享。美国NIH与FNIH的验证网络、印度ICMR的协作卓越中心等项目推动NAMs验证和政策变革，促进其在基础研究和监管测试中的应用。

4. 标准化与监管批准：

通过标准化和验证提升NAMs的可靠性，鼓励更多研究者采用。例如，器官芯片在药物筛选和测试中潜力巨大，但缺乏明确监管路径限制其应用。建立NAMs数据库（如比利时的RE-place项目，将NAMs研究收集在一个开放获取数据库中，并将这些知识链接到专家和研究机构的名字，详见参考文献 2）,促进研究透明和国际协作。优先资助NAMs研究而非动物研究，可加速其在药物和化学毒性测试中的应用。

图 3 建立和验证适用于基础研究和监管的 NAMs 所需步骤的概述。(a) 本综述中确定的四个主要主题的示意图，以及在不同主题下促进 NAMs 的方法。(b) 改进和传播 NAMs 的三阶段方法，以及在这些阶段中始终重要的某些方面。

一些积极的信号

政策与监管的推动

监管机构的政策变化正在为器官芯片等NAMs的广泛应用铺平道路。欧盟的Directive 2010/63/EU明确要求逐步减少动物实验并最终实现完全替代。NIH和FDA的最新政策也表明，美国监管机构正在加速器官芯片等NAMs的验证与应用。此外，OECD的测试指南（如Test No. 442E）为体外皮肤敏化测试提供了标准化方法，为器官芯片在监管中的应用奠定了基础。

FDA专员Martin A. Makary博士在本月 7 日与 NIH 的研讨会上强调了取消动物试验的伦理和科学紧迫性。他强调了采用非动物方法的三个关键原因：1、可以更快地向公众提供治疗方法；2、可以帮助降低药物开发成本，支持政府降低药物价格的目标；3、 最重要的是，它们更加人道并更符合伦理。

NAMs正在获得更多投资

产业与学术界的合作可能推动 NAMs 的规模化生产和商业化，从而实现更标准化、更具成本效益的药效前临床研究。市场调研显示，市场正转向 3D 细胞培养模型，预计在 2021-2028 年间将以双位数复合年增长率增长。进一步预测显示，到 2030 年，全球 3D 细胞培养市场规模将达到 36 亿美元，其中器官芯片市场规模在 2026 年将达到 3.036 亿美元，并在 2029 年增长至 6.3 亿美元。这进一步凸显了 3D 体外模型，尤其是器官芯片的日益普及，这有望促进其在研究领域的更广泛采用。

结论

NIH和FDA的新政标志着生物医学研究进入了一个新时代，传统的“金标准”正在被重新定义。未来，随着NAMs技术的进一步成熟和监管环境的优化，无动物研究将成为生物医学领域的未来趋势。这不仅是一场技术革命，更是对科学伦理和人类健康责任的重新审视。

文章指出，器官芯片的商业化潜力正在快速增长。器官芯片在研究人类疾病和药物反应方面具有显著优势，在个性化医学、药物开发和毒性评估中展现出无可比拟的潜力。这一技术将有望彻底改变药物研发和疾病研究的范式。

药品研发是一项高度复杂的社会系统工程，但很多时候，变革是不可避免的。我们希望，通过技术创新和产业合作，加速器官芯片的标准化和商业化，为全球生物医学研发提供更可靠、更伦理的解决方案。

参考文献

[1]     Hope, L., & Bailey, J. (2025). Breaking down the barriers to animal-free research. Alternatives to Laboratory Animals, 53(4), 215-231.https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/02611929251349465

[2]     Van Mulders M, Liodo Missigba N, Mertens B, et al. RE-place: A unique project collecting expertise on New Approach Methodologies. Front Pharmacol 2022; 13: 930148. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.930148.