实验室老鼠长期以来一直是生物医学研究和药物开发的主要模型。现在，像Emulate的肺芯片等技术旨在在不依赖动物的情况下模拟人类生物学。17年前，细胞生物学家唐纳德·英伯(Donald Ingber)及其同事在哈佛大学的威斯生物灵感工程研究所提交了一篇论文，描述了他们的模型人类肺。它比USB闪存驱动器小，由一块透明的聚合物板构成，内部含有狭窄的通道，这些通道内衬有类型肺泡和血管的细胞。当空气被泵入通道旁的腔室时，该设备有节奏地扩展和收缩——它“呼吸”。这种逼真的运动是肺模型前几代的显著变化，后者通常使用静态的肺组织培养，无法模拟肺功能所需的运动。当暴露于炎症蛋白和细菌时，英伯的人工肺反应与活肺非常相似。暴露于用于模拟超细颗粒影响的二氧化硅纳米颗粒显示，运动如何影响组织的吸收。唐纳德·英伯领导了哈佛大学威斯研究所首个人类肺芯片的开发。萨姆·奥格登(Sam Ogden)这是一个强有力的原则证明，展示了一个可以用来测试药物和其他化学品的系统，为组织培养或动物实验提供了补充甚至替代。然而，《科学》杂志的编辑们却犹豫不决。他们拒绝了该论文，并建议英伯的团队也在老鼠身上进行测试。这并不是一个不合理的请求：哈佛的肺系统是新的，将其生成的结果与老鼠的结果进行比较将有助于验证它。英伯的团队进行了建议的实验，并在一年后，即2010年，重新提交了他们的研究，最终被发表。（此后它已经被近5400篇其他论文引用。）然而，这一事件说明动物模型一直是现代生物医学研究的默认选择。早期在哈佛威斯研究所开发的肺芯片使用衬有人类细胞的微流体通道再现了肺功能的重要特征。哈佛大学威斯研究所最近，德国生物技术公司TissUse的转化毒理学研究员兼高管伊尔卡·马赫梅耶(Ilka Maschmeyer)讲述的一个故事显示了事态的变化。TissUse专注于构建器官芯片系统——像英伯的肺这样的系统的通用名称——这些系统被制药公司用于研究。马赫梅耶表示，几个月前，一家制药公司在被美国食品和药物管理局拒绝临床试验新药的允许后接触了TissUse。问题在于：它提供了动物数据，但FDA希望看到器官芯片或一些可比替代方案的数据。标准已经回归。这个时刻反映了一个趋势，或许甚至是一个根本性转变的早期阶段，即在毒理学和药物开发中远离使用动物。“这还很少见，”马赫梅耶说，“但我认为这一情况将会越来越频繁。”这些年来，已经开发出许多替代动物实验的方案。它们统称为NAMs，这个缩写依据不同人群可能代表新的方法论、新的替代方法或非动物方法。大多数NAMs尚未经过严格测试，但早期研究表明它们的潜力。随着NAMs变得日益复杂，如何实施它们的问题也变得不再仅仅是技术特性，而是关于实现其潜力所需的实际下一步。验证NAMs——标准化系统，与动物实验进行面对面的比较——是一个巨大挑战。此外，仅仅优于动物模型是必要的，但还不够。NAMs的采用将需要在政策、培训和文化方面的改变。“这个过渡过程比你想象的要复杂得多，”约翰霍普金斯大学替代动物测试中心主任、毒理学家托马斯·哈滕西(Thomas Hartung)说。“这更多的是关于变革管理，而不是技术。” 取代动物测试的技术几十年来，动物保护者和许多科学家一直批评对动物进行实验的道德性和有效性。估计在美国临床试验中进入市场的所有药物中，有92%的药物未能成功上市，有时是出于商业原因，但往往因为药物在动物实验中未能预测的方式下被证明无效或不安全。在心脏病、癌症和脑疾病的药物中，失败率甚至更高。这些统计数据并不自动意味着依赖动物是罪魁祸首。缺陷的研究设计也是一个问题，还有生物复杂性的混乱......