蔣亞君,榮 蓉,劉曉宇,盧選成

(中國疾病預(yù)防控制中心實驗動物中心,北京 102206)

全世界每年有超過1 億只動物用于開展實驗[1],涉及科學(xué)研究、教學(xué)、生產(chǎn)、檢定以及其他科學(xué)實驗等多個領(lǐng)域,對科學(xué)發(fā)展有不可替代的作用。 與此同時,國際上強調(diào)實驗研究必須有倫理正當(dāng)性并遵守“3R” 原則(reduction, replacement,refinement)[2]。 目前,體外替代方法在基礎(chǔ)研究中發(fā)揮重要作用,很多替代方法已被證實更科學(xué)、經(jīng)濟和迅速,并獲得廣泛應(yīng)用[2-3],通過跨學(xué)科領(lǐng)域之間的積極合作,實驗動物替代方法、技術(shù)的驗證及研發(fā)仍在快速發(fā)展中[4-6]。 教學(xué)領(lǐng)域的動物實驗由于其特殊性,采用其他方法替代的可行性更高,并且這些替代方法的優(yōu)勢在一些國家和地區(qū)已得到證實。 故本文就教學(xué)中實驗動物的替代方法進行介紹和分析,以期為我國教學(xué)中實現(xiàn)實驗動物部分替代提供參考。

1 概述

1.1 實驗動物使用和實驗動物福利

自遠(yuǎn)古時代,人類就開始通過動物來認(rèn)識生命現(xiàn)象,動物解剖是生物學(xué)最早的組成部分。 公元前,古希臘自然哲學(xué)家德謨克利特對各種動物進行系統(tǒng)解剖,將動物初步分為有血動物和無血動物。1859 年達爾文提出進化論后,通過動物實驗進行人類相關(guān)知識的研究方法逐步完善[7]。 目前,實驗動物已廣泛用于科研、檢測和教學(xué)等領(lǐng)域,為科學(xué)發(fā)展做出巨大貢獻。 自上世紀(jì)中期以來,隨著經(jīng)濟發(fā)展和道德水平提高,實驗動物福利得到日益重視。英國、美國、澳大利亞等發(fā)達國家建立了完善的動物福利法律體系[8],而我國在實驗動物福利方面起步相對較晚,2006 年9 月頒布的《關(guān)于善待實驗動物的指導(dǎo)性意見》是我國首個針對實驗動物福利的政府性文件[9]。

實驗動物的整個生命周期都受人為控制,因此保證其福利是我們的基本責(zé)任[10-11]。 研究證明,實驗動物福利影響動物的心理和生理健康,對實驗研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性會產(chǎn)生較大影響[12]；同時,重視研究和教學(xué)中的動物福利,有利于培養(yǎng)具有人道主義精神和科研素養(yǎng)的專業(yè)人員[13]。 故無論基于道德要求抑或是科學(xué)研究要求,都應(yīng)重視動物福利倫理,落實“3R”原則。

1.2 教學(xué)中動物實驗替代的必要性及可行性

在教學(xué)中,實驗動物常用于觀察生理現(xiàn)象、練習(xí)外科技術(shù)、解剖[14]等方面,主要用于學(xué)習(xí)人類已知理論或鍛煉操作技能。 從使用動物的必要性和“3R”原則出發(fā),教學(xué)中有必要使用替代方法,且在方法和手段上可行性比科研用實驗動物替代更強。

1.2.1 由教學(xué)目的決定

教學(xué)的目的主要是讓學(xué)生深刻理解相關(guān)專業(yè)課程內(nèi)容及其原理。 涉及的動物實驗主要為驗證性實驗和操作性實驗訓(xùn)練[15]。 因此,完全可通過下文介紹的視頻教學(xué)、模型練習(xí)、虛擬仿真技術(shù)等多種方法替代。

1.2.2 由培養(yǎng)人才的要求決定

在教學(xué)中提高動物福利意識、替代動物實驗,有利于學(xué)生建立正確的對待有生命動物的態(tài)度。在我國,由于教學(xué)用實驗動物福利倫理工作管理薄弱,屢有虐待實驗動物事件發(fā)生,故在高校中加強實驗動物福利管理工作,在課程設(shè)置中落實“3R”原則刻不容緩。 另一方面,有學(xué)者通過對學(xué)生態(tài)度的調(diào)查顯示,部分學(xué)生對教學(xué)中是否需要大量實驗動物表示懷疑,多數(shù)學(xué)生對于使用電腦輔助學(xué)習(xí)持支持態(tài)度[16]。 因此基于以上兩方面,替代實驗動物符合現(xiàn)實的要求。

1.2.3 科技發(fā)展使實驗動物替代成為可能

一方面互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,大幅度提高資源的共享性。 通過國際實驗動物替代網(wǎng)站,可搜尋適用的替代方法信息。 此外,互聯(lián)網(wǎng)所衍生的虛擬現(xiàn)實技術(shù)、影音資料等都是良好的實驗動物替代方法。另一方面實體經(jīng)濟的快速發(fā)展,使替代用具的生產(chǎn)更加精細(xì)化和專業(yè)化,在提升質(zhì)量的同時降低成本,為仿真教具的普及奠定了良好基礎(chǔ)。 在教學(xué)中結(jié)合使用線上和線下技術(shù),可一定程度上替代實驗動物的使用。

2 國內(nèi)外教學(xué)中實驗動物使用情況

2.1 國際上教學(xué)實驗動物使用

據(jù)估計在世界范圍內(nèi),每年用于教學(xué)的動物數(shù)量約1000 ～1500 萬只[12]。 隨著科學(xué)技術(shù)、倫理道德的發(fā)展,很多國家都有意識減少教學(xué)用動物數(shù)量[17]。

1998 年,歐洲替代方法驗證中心(ECVAM)就對高等教育中減少使用動物及替代方法進行了研究,闡明教學(xué)用實驗動物的使用概況、替代的必要性,并對替代方法進行了詳細(xì)的介紹[14]。 2011 年全美僅有7所醫(yī)學(xué)院使用動物進行外科實驗教學(xué),在2016 年6月美國和加拿大最后一所在教學(xué)過程中使用活體動物進行實驗教學(xué)的醫(yī)學(xué)院也宣布不再使用動物。 在亞太地區(qū),印度很重視高等教學(xué)中替代方法的應(yīng)用。2013 年,印度藥房理事會和印度牙科理事會要求各成員大學(xué)停止在其各自學(xué)科中使用動物進行培訓(xùn)[18]；2014 年,印度醫(yī)學(xué)委員會要求在臨床醫(yī)學(xué)課程中使用計算機輔助學(xué)習(xí)替代動物進行生理學(xué)和藥理學(xué)培訓(xùn)[18]。 巴西于2008 年開始進行動物研究的監(jiān)管；2014 年,其國家動物實驗控制委員會制定好一個框架,以擴大研究教育中動物的替代[19]。

2.2 我國教學(xué)用實驗動物使用

在我國高校中,醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)、動物科學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域的實驗教學(xué)中,都涉及到動物實驗教學(xué)[20]。 據(jù)不完全統(tǒng)計,我國每年在教學(xué)中所用的動物數(shù)量不低于100 萬只[12]。 在醫(yī)學(xué)、動物學(xué)等學(xué)科快速發(fā)展的同時,教學(xué)用實驗動物的使用數(shù)量也急劇增加,但相關(guān)管理制度卻存在缺失。 開展動物實驗的人員因無知、疏忽導(dǎo)致傷害實驗動物的情況仍然存在[21]。 2015 年,西安某醫(yī)學(xué)院發(fā)生實驗用狗遺棄、虐待事件,就是實驗動物福利意識不夠和管理疏忽導(dǎo)致的。

全社會愛護動物意識的顯著提高,為提高實驗動物福利創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。 2015 年,鄭亞楠[22]等對贛南醫(yī)學(xué)院200 名臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)的學(xué)生進行調(diào)查,結(jié)果顯示,大部分學(xué)生富有同理心,認(rèn)為應(yīng)該針對虐待、故意傷害實驗動物等這些不良行為設(shè)立相應(yīng)的法律法規(guī)。 我國高校也開始著手優(yōu)化課程, 盡量在實驗設(shè)計中考慮“3R” 原則[9,15,20,23-25]。 但我國動物實驗替代方法的發(fā)展剛剛起步,替代研究不多,缺乏系統(tǒng)化的建設(shè)[26],尤其針對教學(xué)中的替代方法,仍有待積極探索,尋求更好的方法。

3 教學(xué)中替代實驗動物的方法

目前有多種可在教學(xué)中替代實驗動物的資源及方法[27]。

3.1 模型、道具和機械模擬器

模型、道具和機械模擬器是指可對真實事物或過程進行虛擬演示,用于輔助教學(xué)、幫助學(xué)生理解的器物[28]。 獸醫(yī)仿真教具按照類型可分為標(biāo)本模型類和操作訓(xùn)練類兩大類,標(biāo)本模型類仿真教具包括仿真動物骨骼標(biāo)本和仿真動物器官標(biāo)本,主要應(yīng)用于獸醫(yī)解剖學(xué)課程教學(xué)演示環(huán)節(jié)[29]。 這類教具在國內(nèi)動物醫(yī)學(xué)專業(yè)課堂教學(xué)過程中也有應(yīng)用[30],如專業(yè)的人體骨骼模型(頭骨模型、關(guān)節(jié)模型)、各循環(huán)系統(tǒng)模型(消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿及生殖系統(tǒng)等)、整體模型(醫(yī)學(xué)模擬人)；動物模型包括:動物細(xì)胞模型、大鼠、小鼠、青蛙、雞、豬等解剖模型。操作訓(xùn)練類教具應(yīng)用如下:

國外某些醫(yī)學(xué)院采用仿真擬人TraumaMan 系統(tǒng),仿真度極高,在高級創(chuàng)傷生命支持(ATLS)手術(shù)中,可完全替代實驗動物。 研究證明在ATLS 操作實驗室中,使用TraumaMan 和使用動物的效果一樣甚至更好[17]。 并且,相比傳統(tǒng)的動物實驗,該系統(tǒng)的持續(xù)成本低,也更容易在偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用。 另有用于模擬生物動力學(xué)的模型,應(yīng)用歷史超過40 年,具有良好的特異性,國際研究動物3R 中心(NC3Rs)、歐洲替代方法驗證中心((ECVAM)都曾研討其在動物替代中的實際應(yīng)用[30]。

我國市場上現(xiàn)有模擬人教具,其肌肉、骨骼、血管、神經(jīng)以及各種臟器按照正常人體統(tǒng)計數(shù)據(jù)制作,具有眨眼、說話、呼吸、心跳等生命體征[31],包括心臟復(fù)蘇模擬人、護理技能訓(xùn)練模型、氣管插管訓(xùn)練模型、婦嬰技能訓(xùn)練模型、針灸模型等；除市場上的模型以外,教學(xué)機構(gòu)還可根據(jù)教學(xué)情況自行改進,如江蘇省新沂市人民醫(yī)院在原有仿真系統(tǒng)上制作的仿真膀胱、仿真胃、仿真靜脈輸液通路,應(yīng)用很好[32]。

模型、道具和機械模擬器具有以下優(yōu)點:(1)使用仿真教具使學(xué)生更易于接受,可重復(fù)操作性強、操作安全、練習(xí)時間更自由[33]；(2)這類仿真教具實踐教學(xué)成本低,并且有利于評價與考核[31]；(3)購買便捷、使用安全、可攜帶性更高、更靈活。

3.2 膠片和視頻教學(xué)

3.2.1 膠片教學(xué)

本文所指膠片是醫(yī)學(xué)上常使用的計算機斷層掃描(CT)、人體X 線、核磁共振(MRI)[34]等。 膠片是一種非常好的教學(xué)資源,資源共享性高,通過膠片,可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,幫助學(xué)生更好的理解專業(yè)課相關(guān)內(nèi)容,從而提高教學(xué)效果。 研究顯示,將傳統(tǒng)影像膠片進行數(shù)字化處理后,閱片效果更好[35]；電子影像膠片靈活性高,可放大某些較小結(jié)構(gòu),并且可將其帶到任何地點進行研究學(xué)習(xí),實驗證明在醫(yī)學(xué)、影像解剖學(xué)的實驗教學(xué)中運用電子影像膠片結(jié)合實體影像膠片可顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率[36]。 目前的專利全息投影教學(xué)裝置,只需通過語音或手勢或降低環(huán)境的亮度即可切換影像,使用簡單方便[37]。 不過該技術(shù)仍處于初步研發(fā)狀態(tài),仍需進一步改進。

3.2.2 視頻教學(xué)

心理學(xué)家Treicher 曾證明,人類獲取的信息中83%來源于視覺,11%來源于聽覺,1.5%來源于觸覺[38]。 視頻學(xué)習(xí)的方式生動形象、步驟清晰,易于學(xué)生理解和接受。 技能操作類視頻主要通過展示、示范等方法,幫助學(xué)習(xí)者習(xí)得某種技能[39],可暫停、回放、調(diào)整播放速度,同時可自行安排時間反復(fù)模擬練習(xí),靈活度高。 實驗表明,學(xué)生對于操作視頻學(xué)習(xí)的滿意度較高,且通過操作視頻學(xué)習(xí)的學(xué)生,其操作技能考核成績也優(yōu)于沒有觀看操作視頻的學(xué)生[40-42]。 通過操作視頻及假人手臂練習(xí)24 次后某醫(yī)院的學(xué)生均通過考核[43]就是一個很好的例子,證明視頻教學(xué)可一定程度上替代實驗動物的使用。

3.3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)

虛擬仿真實驗系統(tǒng)是指以計算機虛擬現(xiàn)實和數(shù)碼仿真技術(shù)為核心,生物仿真引擎、處理因素數(shù)據(jù)庫、虛擬環(huán)境界面等多種技術(shù)為支撐的系統(tǒng)[44]。其中,醫(yī)學(xué)模擬系統(tǒng)包括基礎(chǔ)解剖模型、局部功能訓(xùn)練模型、計算機交互式訓(xùn)練模型、虛擬現(xiàn)實和觸覺感知系統(tǒng)及生理驅(qū)動型模擬等幾大系統(tǒng)[45]。 這種基于計算機模擬的系統(tǒng)涵蓋范圍較廣,練習(xí)結(jié)果的評分客觀可靠[46-47]。 目前,“虛擬動物實驗”已發(fā)展到活體動物實驗可通過多媒體形式展現(xiàn)的程度[48],其準(zhǔn)確性和存在度較高,可實現(xiàn)部分代替作用[49]。 很多學(xué)校均已開展虛擬實驗室的研究,例如南京醫(yī)科大學(xué)虛擬實驗室,其實驗室包括3D 視頻簡介、動物實驗、虛擬實驗、模擬考試和設(shè)計實驗平臺[50],已運行13 年,取得良好的教學(xué)效果。 同樣,有多所大學(xué)采用的VBL-100 虛擬實驗室系統(tǒng)涵蓋40 多個機能學(xué)實驗的全套模擬仿真,也應(yīng)用良好[51]。

虛擬仿真系統(tǒng)具有成本低、可重復(fù)操作性強、共享性好等優(yōu)點[50]。 表現(xiàn)為(1)通過虛擬仿真實驗系統(tǒng),學(xué)生可自行開展相關(guān)的實驗操作,不受現(xiàn)實條件的制約,不僅可提前預(yù)習(xí),且在操作過程中還可對照實驗方法和步驟實時糾正,從而加深對實驗原理及操作步驟的理解[52]。 同時,這種方式還可充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主觀能動性,有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與能力、科學(xué)意識和創(chuàng)新精神[50]。據(jù)報道,在診斷學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中,運用虛擬實驗室教學(xué)的效果要優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)[53-54]。 (2)對學(xué)校而言,虛擬實驗系統(tǒng)一方面可豐富實驗內(nèi)容,提高教學(xué)效果；另一方面,可有效解決實驗器材易磨損、實驗動物昂貴、實驗經(jīng)費緊缺、課程安排緊張等方面的問題[55-56]。

3.4 3D 打印技術(shù)

3D 打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[57],可降低模具制造費用、減輕模型重量。 該技術(shù)已應(yīng)用于多個領(lǐng)域,在骨科[58-59]、眼耳鼻喉頭頸外科[60-62]和口腔科等[63]均已進入臨床階段。 3D 打印技術(shù)制造的解剖樣本和復(fù)制品可還原組織器官真實位置和顏色,有利于醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)和深入理解[63]。 3D 打印技術(shù)逐漸趨于完善,如中國科學(xué)院武漢病毒研究所制作的幾種有代表性的病毒模型[64],2019 年以色列科學(xué)家打印的全球首個完整心臟,包含心肌細(xì)胞以及血管,這些模型形貌生動形象,還原度高。 目前3D 打印費用較高,因此應(yīng)用不夠廣泛,但隨著技術(shù)的成熟、設(shè)備成本的下降,可很好的用于教學(xué)領(lǐng)域。

3.5 植物實驗、廢棄動物以及臨床實踐

植物雖然與動物的發(fā)育、解剖結(jié)構(gòu)不同,但材料獲取簡便、檢測容易且觀察方便,適合于細(xì)胞層面研究,是替代方法可考慮的方向之一。 此外,養(yǎng)殖場、漁場意外死亡的動物往往與牲畜糞便、廢水等一起進行無害化處理,這種處理方式成本大且易流于形式,同時養(yǎng)殖場存在病死動物隨意丟棄和不規(guī)范處理等問題[65]。 若管理部門有效介入,對死亡動物進行分類,將非傳染性疾病死亡動物進行有效利用,不僅實現(xiàn)資源的重復(fù)利用,還可增加學(xué)生用于練習(xí)操作的對象。

對于醫(yī)學(xué)生和獸醫(yī)學(xué)生來說,臨床實踐一直是教育的重要組成部分[66],是理論聯(lián)系實際的有效方法,學(xué)生可接觸到真實病人和病例、鍛煉臨床技術(shù)以及增加職業(yè)責(zé)任感[67],通過良好的臨床實踐,可極大的提高學(xué)生的臨床技能和綜合素質(zhì)[68-69]。 并且在高等教育中,“早期接觸臨床”是發(fā)展的重要趨勢[67]。 若能將臨床實踐落實于課程,不僅可有效替代動物實驗,也更有利于學(xué)生的長期職業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)語

在教學(xué)領(lǐng)域,尤其是高等院校在培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生和獸醫(yī)學(xué)生過程中采用大量的實驗動物。 無論是出于倫理、動物保護、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展抑或是科研的角度[11],替代方法都是一個有優(yōu)勢的選擇。 教學(xué)中替代方法多樣,其中模型、道具和機械模擬器的使用,膠片和視頻教學(xué),虛擬仿真實驗系統(tǒng)等方法已廣泛使用；前沿性技術(shù)如3D 打印技術(shù)、組織工程器官等也應(yīng)時刻關(guān)注,在技術(shù)成熟、成本適當(dāng)?shù)那闆r下建議采用；此外,植物實驗、養(yǎng)殖場廢棄的材料、動物診所安樂死的動物等,經(jīng)嚴(yán)格的監(jiān)督檢測及安全培訓(xùn)后,也可作為實驗動物替代的重要資源；醫(yī)學(xué)院學(xué)生通過相互練習(xí)或在臨床實地學(xué)習(xí),也是替代實驗動物使用的有效方法。

本文對我國教學(xué)中動物實驗替代的必要性及可行性進行討論,要切實推動該領(lǐng)域的工作關(guān)鍵在于:(1)提高重視。 《實驗動物管理條例》總則明確“國家科學(xué)技術(shù)委員會主管全國實驗動物工作。......國務(wù)院各有關(guān)部門負(fù)責(zé)管理本部門的實驗動物工作。”,但目前教學(xué)用實驗動物管理相比科學(xué)研究用、生產(chǎn)用和檢驗用等領(lǐng)域的實驗動物管理更加薄弱,這與教學(xué)用實驗動物福利工作未得到主管部門的重視和在法規(guī)、要求和制度等方面有欠缺密切相關(guān)。 故只有主管部門重視、從業(yè)人員理念增強,我國教學(xué)中替代方法才有可能推進。 (2)儲備技術(shù)。盡快在我國建立教學(xué)用實驗動物替代方法的技術(shù)平臺,并在高等院校中示范、推廣使用；結(jié)合現(xiàn)有先進技術(shù),鼓勵研發(fā)其他具有創(chuàng)新性的替代方法。(3)經(jīng)費保證。 與需要長期、持續(xù)購買動物相比,使用替代方法的優(yōu)勢之一在于節(jié)約經(jīng)費。 但在替代方法研發(fā)和建立階段,往往需要一次性投入人力和經(jīng)費,故應(yīng)采用專項經(jīng)費支持、與企業(yè)聯(lián)合設(shè)立基金等多種方式保證所需經(jīng)費。