Модельный организм (часто сокращается до «модель» ) — это нечеловеческий вид , который тщательно изучается для понимания конкретных биологических явлений с ожиданием, что открытия, сделанные в модельном организме, дадут представление о работе других организмов. [1] [2] Модельные организмы широко используются для исследования заболеваний человека , когда эксперименты на людях невозможны или неэтичны . [3] Эта стратегия стала возможной благодаря общему происхождению всех живых организмов и сохранению метаболических путей и путей развития , а также генетического материала в ходе эволюции . [4]
Исследования с использованием моделей на животных сыграли центральную роль в большинстве достижений современной медицины. [5] [6] [7] Он внес большую часть базовых знаний в таких областях, как физиология человека и биохимия , и сыграл значительную роль в таких областях, как нейробиология и инфекционные заболевания . [8] [9] Результаты включали почти полное искоренение полиомиелита и развитие трансплантации органов , что принесло пользу как людям, так и животным. [5] [10] С 1910 по 1927 год работа Томаса Ханта Моргана с плодовой мухой Drosophila melanogaster определила хромосомы как вектор наследования генов, [11] [12] и Эрик Кандел писал, что открытия Моргана «помогли изменить биологию». в экспериментальную науку». [13] Исследования модельных организмов привели к дальнейшим медицинским достижениям, таким как производство дифтерийного антитоксина [14] [15] и открытие в 1922 году инсулина [ 16] и его использование для лечения диабета, который ранее означал смерть. [17] Современные общие анестетики, такие как галотан, также были разработаны в результате исследований на модельных организмах и необходимы для современных сложных хирургических операций. [18] Другие медицинские достижения и методы лечения 20-го века, основанные на исследованиях, проведенных на животных, включают методы трансплантации органов , [19] [20] [21] [22] аппараты искусственного кровообращения, [23] антибиотики , [24] [ 25] [26] и вакцина против коклюша . [27]
При исследовании заболеваний человека модельные организмы позволяют лучше понять процесс заболевания без дополнительного риска причинения вреда реальному человеку. Вид модельного организма обычно выбирается таким образом, чтобы он реагировал на болезнь или ее лечение таким образом, чтобы при необходимости напоминать физиологию человека. Биологическая активность в модельном организме не обеспечивает эффекта у человека, поэтому необходимо соблюдать осторожность при обобщении результатов с одного организма на другой. [28] [ нужна страница ] Однако многие лекарства, методы лечения и лекарства от болезней человека разрабатываются частично под руководством животных моделей. [29] [30] Также разработаны методы лечения болезней животных, в том числе от бешенства , [31] сибирской язвы , [31] сапа , [31] вируса иммунодефицита кошек (FIV), [32] туберкулеза , [31] техасской лихорадки крупного рогатого скота. , [31] классическая чума свиней (холера свиней), [31] сердечный червь и другие паразитарные инфекции . [33] Эксперименты на животных по-прежнему необходимы для биомедицинских исследований, [34] и используются с целью решения таких медицинских проблем, как болезнь Альцгеймера, [35] СПИД, [36] рассеянный склероз, [37] травмы спинного мозга, многие головные боли [38] и другие состояния, при которых отсутствует полезная модельная система in vitro .
Модельные организмы взяты из всех трех областей жизни, а также вирусы . Одной из первых модельных систем для молекулярной биологии была бактерия Escherichia coli ( E. coli ), обычный компонент пищеварительной системы человека. Мышь ( Mus musculus ) широко использовалась в качестве модельного организма и связана со многими важными биологическими открытиями 20-го и 21-го веков. [39] Другие примеры включают пекарские дрожжи ( Saccharomyces cerevisiae ), фаговый вирус Т4, плодовую мушку Drosophila melanogaster , цветущее растение Arabidopsis thaliana и морских свинок ( Cavia porcellus ). Некоторые бактериальные вирусы ( бактериофаги ), инфицирующие E. coli, также оказались очень полезными для изучения структуры генов и регуляции генов (например, фаги Lambda и T4 ). [40] Модели заболеваний делятся на три категории: гомологичные животные имеют те же причины, симптомы и варианты лечения, что и люди, страдающие тем же заболеванием, изоморфные животные имеют одни и те же симптомы и методы лечения, а прогностические модели аналогичны конкретному заболеванию человека. лишь в нескольких аспектах, но полезны для выделения и прогнозирования механизмов ряда особенностей заболевания. [41]
Использование животных в исследованиях восходит к Древней Греции , где Аристотель (384–322 гг. до н. э.) и Эрасистрат (304–258 гг. до н. э.) были одними из первых, кто проводил эксперименты на живых животных. [42] Открытия XVIII и XIX веков включали использование Антуаном Лавуазье морской свинки в калориметре для доказательства того, что дыхание является формой горения, а также демонстрацию Луи Пастером микробной теории болезней в 1880-х годах с использованием сибирской язвы. у овец. [43]
Исследования с использованием моделей на животных сыграли центральную роль в большинстве достижений современной медицины. [5] [6] [7] Он внес большую часть базовых знаний в таких областях, как физиология человека и биохимия , и сыграл значительную роль в таких областях, как нейробиология и инфекционные заболевания . [8] [9] Например, результаты включали почти полное искоренение полиомиелита и развитие трансплантации органов , что принесло пользу как людям, так и животным. [5] [10] С 1910 по 1927 год работа Томаса Ханта Моргана с плодовой мушкой Drosophila melanogaster определила хромосомы как вектор наследования генов. [11] [12] Дрозофила стала одной из первых и в течение некоторого времени наиболее широко используемыми модельными организмами, [44] и Эрик Кандел писал, что открытия Моргана «помогли превратить биологию в экспериментальную науку». [13] D. melanogaster остается одним из наиболее широко используемых модельных эукариотических организмов. В тот же период исследования генетики мышей в лаборатории Уильяма Эрнеста Касла в сотрудничестве с Эбби Латроп привели к созданию инбредной линии мышей DBA («разбавленная, коричневая и без агути») и систематическому созданию других инбредных линий. . [45] [46] С тех пор мышь широко использовалась в качестве модельного организма и связана со многими важными биологическими открытиями 20-го и 21-го веков. [39]
В конце 19 века Эмиль фон Беринг выделил дифтерийный токсин и продемонстрировал его действие на морских свинках. Он продолжил разработку антитоксина против дифтерии у животных, а затем и у людей, что привело к появлению современных методов иммунизации и в значительной степени положило конец дифтерии как угрожающему заболеванию. [14] Дифтерийный антитоксин широко известен в расе Айдитарод, которая смоделирована после доставки антитоксина в сыворотке, отправленной в Ном в 1925 году . Успех исследований на животных по производству дифтерийного антитоксина также считается причиной упадка оппозиции исследованиям на животных в Соединенных Штатах в начале 20-го века. [15]
Последующие исследования модельных организмов привели к дальнейшим медицинским достижениям, таким как исследование Фредерика Бантинга на собаках, которое определило, что изоляты секрета поджелудочной железы можно использовать для лечения собак с диабетом . Это привело к открытию в 1922 году инсулина ( совместно с Джоном Маклеодом ) [16] и его использованию при лечении диабета, который ранее означал смерть. [17] Исследования Джона Кейда на морских свинках обнаружили противосудорожные свойства солей лития, [47] которые произвели революцию в лечении биполярного расстройства , заменив предыдущие методы лечения лоботомией или электросудорожной терапией. Современные общие анестетики, такие как галотан и родственные соединения, также были разработаны в результате исследований на модельных организмах и необходимы для современных сложных хирургических операций. [18] [48]
В 1940-х годах Джонас Солк использовал исследования на макаках-резусах для выделения наиболее вирулентных форм вируса полиомиелита [ 49] , что привело к созданию им вакцины против полиомиелита . Вакцина, которая стала общедоступной в 1955 году, в течение следующих пяти лет снизила заболеваемость полиомиелитом в США в 15 раз. [50] Альберт Сэбин усовершенствовал вакцину, передав вирус полиомиелита животным-хозяевам, включая обезьян; Вакцина Сэбина была произведена для массового потребления в 1963 году и к 1965 году практически искоренила полиомиелит в Соединенных Штатах. [51] Подсчитано, что для разработки и производства вакцин потребовалось использование 100 000 макак-резус, при этом было произведено 65 доз вакцины. от каждой обезьяны. Сабин писал в 1992 году: «Без использования животных и людей было бы невозможно получить важные знания, необходимые для предотвращения страданий и преждевременной смерти не только среди людей, но и среди животных». [52]
Другие медицинские достижения и методы лечения 20-го века, основанные на исследованиях, проведенных на животных, включают методы трансплантации органов , [19] [20] [21] [22] аппараты искусственного кровообращения, [23] антибиотики , [24] [25] [ 26] и вакцина против коклюша . [27] Также разработаны методы лечения болезней животных, в том числе от бешенства , [31] сибирской язвы , [31] сапа , [31] вируса иммунодефицита кошек (FIV), [32] туберкулеза , [31] техасской лихорадки крупного рогатого скота, [31] ] классическая чума свиней (холера свиней), [31] сердечный червь и другие паразитарные инфекции . [33] Эксперименты на животных по-прежнему необходимы для биомедицинских исследований, [34] и используются с целью решения таких медицинских проблем, как болезнь Альцгеймера, [35] СПИД, [36] [53] [54] рассеянный склероз, [37] ] травма спинного мозга, многочисленные головные боли, [38] и другие состояния, при которых не существует полезной модельной системы in vitro .
Модели — это те организмы, обладающие большим количеством биологических данных, которые делают их привлекательными для изучения в качестве примеров других видов и/или природных явлений, которые труднее изучать напрямую. Непрерывные исследования этих организмов сосредоточены на широком спектре экспериментальных методов и целей на самых разных уровнях биологии — от экологии , поведения и биомеханики до крошечных функциональных масштабов отдельных тканей , органелл и белков . Исследования о ДНК организмов классифицируются как генетические модели (с коротким временем генерации, такие как плодовые мушки и нематоды ), экспериментальные модели и модели геномной экономии, исследующие ключевое положение в эволюционном древе. [55] Исторически сложилось так, что модельные организмы включают несколько видов с обширными данными геномных исследований, таких как модельные организмы NIH. [56]
Часто модельные организмы выбираются на том основании, что они поддаются экспериментальным манипуляциям. Обычно это включает в себя такие характеристики, как короткий жизненный цикл , методы генетических манипуляций ( инбредные штаммы, линии стволовых клеток и методы трансформации ) и неспециализированные требования к жизни. Иногда расположение генома облегчает секвенирование генома модельного организма, например, из-за того, что он очень компактен или имеет низкую долю мусорной ДНК (например , дрожжей , арабидопсиса или рыбы-фугу ). [ нужна цитата ]
Когда исследователи ищут организм для использования в своих исследованиях, они обращают внимание на несколько черт. Среди них размер, время генерации , доступность, манипулирование, генетика, сохранение механизмов и потенциальная экономическая выгода. Поскольку сравнительная молекулярная биология стала более распространенной, некоторые исследователи стали искать модельные организмы из более широкого спектра линий на древе жизни .
Основной причиной использования модельных организмов в исследованиях является эволюционный принцип, согласно которому все организмы имеют некоторую степень родства и генетического сходства из-за общего происхождения . Таким образом, изучение таксономических родственников человека может предоставить много информации о механизмах и заболеваниях человеческого организма, которая может быть полезна в медицине. [ нужна цитата ]
Различные филогенетические деревья позвоночных были построены с использованием сравнительной протеомики , генетики, геномики, а также геохимических и ископаемых данных. [57] Эти оценки говорят нам, что люди и шимпанзе в последний раз имели общего предка около 6 миллионов лет назад (млн лет назад). Как наши ближайшие родственники, шимпанзе могут рассказать нам о механизмах заболеваний (и о том, какие гены могут отвечать за человеческий интеллект). Однако шимпанзе редко используются в исследованиях и защищены от высокоинвазивных процедур. Грызуны являются наиболее распространенными моделями животных. По оценкам филогенетических деревьев, люди и грызуны в последний раз имели общего предка примерно 80–100 млн лет назад. [58] [59] Несмотря на столь отдаленное разделение, у людей и грызунов гораздо больше сходства, чем различий. Это связано с относительной стабильностью больших участков генома, что делает использование позвоночных животных особенно продуктивным. [ нужна цитата ]
Геномные данные используются для тщательного сравнения видов и определения родства. Люди разделяют около 99% своего генома с шимпанзе [60] [61] (98,7% с бонобо) [62] и более 90% с мышью. [59] Учитывая, что большая часть генома консервативна у разных видов, весьма впечатляет то, что различия между людьми и мышами можно объяснить примерно в шести тысячах генов (всего около 30 000). Ученые смогли воспользоваться этим сходством при создании экспериментальных и прогностических моделей заболеваний человека. [ нужна цитата ]
Существует множество модельных организмов. Одной из первых модельных систем для молекулярной биологии была бактерия Escherichia coli , общий компонент пищеварительной системы человека. Некоторые бактериальные вирусы ( бактериофаги ), инфицирующие E. coli, также оказались очень полезными для изучения структуры генов и регуляции генов (например, фаги Lambda и T4 ). Однако ведутся споры о том, следует ли классифицировать бактериофаги как организмы, поскольку у них отсутствует метаболизм и размножение зависит от функций клеток-хозяев. [63]
У эукариот некоторые дрожжи, в частности Saccharomyces cerevisiae («пекарские» или «почкующиеся» дрожжи), широко используются в генетике и клеточной биологии , главным образом потому, что их быстро и легко выращивать. Клеточный цикл простых дрожжей очень похож на клеточный цикл человека и регулируется гомологичными белками. Плодовая мушка Drosophila melanogaster изучается еще и потому, что ее легко выращивать для животного, она имеет различные видимые врожденные признаки и имеет в слюнных железах политенную (гигантскую) хромосому, которую можно исследовать под световым микроскопом. Круглый червь Caenorhabditis elegans изучается потому, что он имеет очень определенные закономерности развития, включающие фиксированное количество клеток, и его можно быстро проверить на наличие аномалий. [64]
Животные модели, используемые в исследованиях, могут иметь существующее, врожденное или индуцированное заболевание или травму, аналогичную состоянию человека. Эти условия испытаний часто называют животными моделями заболеваний . Использование моделей на животных позволяет исследователям исследовать болезненные состояния способами, которые были бы недоступны для пациента-человека, выполняя процедуры на животных, не являющихся людьми, которые подразумевают уровень вреда, причинение которого человеку было бы неэтично.
Лучшие модели заболеваний по этиологии (механизму возникновения) и фенотипу (признакам и симптомам) аналогичны человеческим эквивалентам. Однако сложные заболевания человека часто можно лучше понять с помощью упрощенной системы, в которой отдельные части процесса заболевания изолированы и исследованы. Например, поведенческие аналоги тревоги или боли у лабораторных животных можно использовать для скрининга и тестирования новых лекарств для лечения этих состояний у людей. Исследование 2000 года показало, что модели на животных согласуются (совпадают по истинно положительным и ложноотрицательным результатам) с токсичностью для человека в 71% случаев, при этом 63% только для негрызунов и 43% только для грызунов. [65]
В 1987 году Дэвидсон и др. предположил, что выбор модели животного для исследования должен основываться на девяти соображениях. К ним относятся
1) пригодность в качестве аналога, 2) возможность передачи информации, 3) генетическое единообразие организмов, где это применимо, 4) базовые знания о биологических свойствах, 5) стоимость и доступность, 6) возможность обобщения результатов, 7) простота и адаптируемость экспериментальным манипуляциям, 8) экологическим последствиям и 9) этическим последствиям. [66]
Животные модели можно классифицировать как гомологичные, изоморфные или прогнозирующие. Животные модели также можно разделить на четыре категории: 1) экспериментальные, 2) спонтанные, 3) негативные, 4) сиротские. [67]
Наиболее распространены экспериментальные модели. Они относятся к моделям заболеваний, которые по фенотипу или реакции на лечение напоминают человеческие состояния, но вызываются искусственно в лаборатории. Вот некоторые примеры:
Спонтанные модели относятся к заболеваниям, аналогичным человеческим состояниям, которые естественным образом возникают у изучаемого животного. Эти модели редки, но информативны. Отрицательные модели по существу относятся к контрольным животным, которые полезны для проверки экспериментального результата. Орфанные модели относятся к заболеваниям, для которых нет человеческого аналога и встречаются исключительно у изученных видов. [67]
Расширение знаний о геномах приматов , не являющихся человеком, и других млекопитающих , генетически близких к человеку, позволяет создавать генетически модифицированные ткани, органы и даже виды животных, которые выражают болезни человека, обеспечивая более надежную модель болезней человека в мире. модель животного.
Модели животных, наблюдаемые в науках психологии и социологии , часто называют моделями поведения животных . Трудно построить животную модель, идеально воспроизводящую симптомы депрессии у пациентов. Депрессия, как и другие психические расстройства , состоит из эндофенотипов [82] , которые могут самостоятельно воспроизводиться и оцениваться на животных. Идеальная модель на животных дает возможность понять молекулярные , генетические и эпигенетические факторы, которые могут привести к депрессии. Используя модели на животных, можно изучить основные молекулярные изменения и причинно-следственную связь между генетическими изменениями или изменениями окружающей среды и депрессией, что позволит лучше понять патологию депрессии. Кроме того, модели депрессии на животных необходимы для поиска новых методов лечения депрессии. [83] [84]
Модельные организмы взяты из всех трех областей жизни, а также вирусы . Наиболее широко изученным прокариотическим модельным организмом является Escherichia coli ( E. coli ), которая интенсивно исследуется уже более 60 лет. Это распространенная грамотрицательная кишечная бактерия, которую можно легко и недорого выращивать и культивировать в лабораторных условиях. Это наиболее широко используемый организм в молекулярной генетике и важный вид в области биотехнологии и микробиологии , где он служил организмом-хозяином для большинства работ с рекомбинантной ДНК . [85]
Простые модели эукариот включают пекарские дрожжи ( Saccharomyces cerevisiae ) и делящиеся дрожжи ( Schizosaccharomyces pombe ), оба из которых имеют много общих признаков с высшими клетками, включая клетки человека. Например, у дрожжей обнаружено множество генов клеточного деления , которые имеют решающее значение для развития рака . Chlamydomonas Reinhardtii — одноклеточная зеленая водоросль с хорошо изученной генетикой, используется для изучения фотосинтеза и подвижности . C. Reinhardtii имеет множество известных и картированных мутантов и экспрессируемых меток последовательностей, а также существуют передовые методы генетической трансформации и отбора генов. [86] Dictyostelium discoideum используется в молекулярной биологии и генетике и изучается как пример клеточной коммуникации , дифференциации и запрограммированной гибели клеток .
Среди беспозвоночных плодовая мушка Drosophila melanogaster известна как объект генетических экспериментов Томаса Ханта Моргана и других. Их легко выращивать в лаборатории, они отличаются быстрым поколением, высокой плодовитостью , небольшим количеством хромосом и легко вызываемыми наблюдаемыми мутациями. [87] Нематода Caenorhabditis elegans используется для понимания генетического контроля развития и физиологии. Впервые она была предложена в качестве модели развития нейронов Сиднеем Бреннером в 1963 году и с тех пор широко использовалась во многих различных контекстах. [88] [89] C. elegans был первым многоклеточным организмом, геном которого был полностью секвенирован, и по состоянию на 2012 год единственным организмом, у которого был завершен коннектом (нейронная «схема подключения»). [90] [91]
Arabidopsis thaliana в настоящее время является самым популярным модельным растением. Его небольшой размер и короткое время генерации облегчают быстрые генетические исследования [92] , и было картировано множество фенотипических и биохимических мутантов. [92] A. thaliana была первым растением, геном которого секвенирован . [92]
Среди позвоночных морских свинок ( Cavia porcellus ) Роберт Кох и другие ранние бактериологи использовали в качестве хозяина для бактериальных инфекций, став синонимом «лабораторного животного», но сегодня они используются реже. Классической моделью позвоночного в настоящее время является мышь ( Mus musculus ). Существует множество инбредных линий, а также линии, отобранные по определенным признакам, часто представляющим медицинский интерес, например размеру тела, ожирению, мускулистости и произвольному поведению при езде на колесе . [93] Крыса ( Rattus norvegicus ) особенно полезна в качестве токсикологической модели, а также в качестве неврологической модели и источника первичных клеточных культур из-за большего размера органов и суборганеллярных структур по сравнению с мышью, тогда как яйца и эмбрионы Xenopus тропические и Xenopus laevis (африканская шпорцевая лягушка) используются в биологии развития, клеточной биологии, токсикологии и нейробиологии. [94] [95] Аналогичным образом, рыбка данио ( Danio rerio ) имеет почти прозрачное тело на раннем этапе развития, что обеспечивает уникальный визуальный доступ к внутренней анатомии животного в этот период времени. Рыбки данио используются для изучения развития, токсикологии и токсикопатологии, [96] специфических функций генов и роли сигнальных путей.
Другие важные модельные организмы и некоторые области их применения включают: фаг Т4 (вирусная инфекция), Tetrahymena thermophila (внутриклеточные процессы), кукурузу ( транспозоны ), гидры ( регенерация и морфогенез ), [97] кошек (нейрофизиология), кур (развитие), собаки (дыхательная и сердечно-сосудистая системы), Nothobranchius Furzeri (старение), [98] нечеловекообразные приматы, такие как макака-резус и шимпанзе ( гепатит , ВИЧ , болезнь Паркинсона , когнитивные функции и вакцины ) и хорьки ( SARS-CoV-2). ) [99]
Представленные ниже организмы стали модельными организмами, потому что они облегчают изучение определенных признаков или из-за их генетической доступности. Например, E. coli была одним из первых организмов, для которых были разработаны такие генетические методы, как трансформация или генетические манипуляции .
Геномы всех модельных видов были секвенированы , включая их митохондриальные / хлоропластные геномы . Базы данных модельных организмов существуют для того, чтобы предоставить исследователям портал, с которого можно загрузить последовательности (ДНК, РНК или белок) или получить доступ к функциональной информации о конкретных генах, например, о субклеточной локализации продукта гена или его физиологической роли.
Многие животные-модели, служащие подопытными в биомедицинских исследованиях, такие как крысы и мыши, могут вести малоподвижный образ жизни , иметь ожирение и непереносимость глюкозы . Это может затруднить их использование для моделирования метаболических процессов и заболеваний человека, поскольку на них могут влиять потребление энергии с пищей и физические упражнения . [118] Точно так же существуют различия между иммунными системами модельных организмов и человека, которые приводят к значительно измененным реакциям на раздражители, [119] [120] [121], хотя основные принципы функционирования генома могут быть одинаковыми. [121] Бедная среда внутри стандартных лабораторных клеток лишает экспериментальных животных умственных и физических проблем, необходимых для здорового эмоционального развития. [122] Без повседневного разнообразия, рисков и вознаграждений, а также сложной окружающей среды некоторые утверждают, что модели животных являются неуместными моделями человеческого опыта. [123]
Мыши отличаются от людей по нескольким иммунным свойствам: мыши более устойчивы к некоторым токсинам , чем люди; имеют меньшую общую фракцию нейтрофилов в крови , меньшую ферментативную емкость нейтрофилов , меньшую активность системы комплемента , иной набор пентраксинов , участвующих в воспалительном процессе ; и у них отсутствуют гены важных компонентов иммунной системы, таких как IL-8 , IL-37 , TLR10 , ICAM-3 и т. д. [75] Лабораторные мыши, выращенные в условиях , свободных от специфических патогенов (SPF), обычно имеют довольно незрелый Иммунная система с дефицитом Т-клеток памяти . Эти мыши могут иметь ограниченное разнообразие микробиоты , что напрямую влияет на иммунную систему и развитие патологических состояний. Более того, персистирующие вирусные инфекции (например, герпесвирусы ) активируются у людей, но не у мышей SPF , с септическими осложнениями и могут изменять устойчивость к бактериальным коинфекциям . «Грязные» мыши, возможно, лучше подходят для имитации человеческих патологий. Кроме того, в подавляющем большинстве исследований используются инбредные линии мышей, тогда как человеческая популяция неоднородна, что указывает на важность исследований на межлинейных гибридных, беспородных и нелинейных мышах. [75]
Некоторые исследования показывают, что неадекватные опубликованные данные по испытаниям на животных могут привести к невоспроизводимости исследований, при этом в опубликованных статьях отсутствуют подробности о том, как проводятся эксперименты, или различия в тестировании могут привести к систематической ошибке. Примеры скрытой предвзятости включают исследование 2014 года, проведенное Университетом Макгилла в Монреале, Канада, которое предполагает, что мыши, с которыми обращались мужчины, а не женщины, демонстрировали более высокий уровень стресса. [124] [125] [126] Другое исследование, проведенное в 2016 году, показало, что микробиомы кишечника мышей могут оказывать влияние на научные исследования. [127]
Этические проблемы, а также стоимость, содержание и относительная неэффективность исследований на животных стимулировали разработку альтернативных методов изучения болезней. Культура клеток или исследования in vitro предоставляют альтернативу, которая сохраняет физиологию живой клетки, но не требует принесения в жертву животного для механистических исследований. Индуцибельные плюрипотентные стволовые клетки человека также могут пролить свет на новые механизмы понимания рака и регенерации клеток. Визуализирующие исследования (такие как МРТ или ПЭТ) позволяют неинвазивно изучать людей. Последние достижения в области генетики и геномики позволяют идентифицировать гены, связанные с заболеваниями, на которые можно будет воздействовать при лечении.
Многие биомедицинские исследователи утверждают, что ничто не заменит живой организм при изучении сложных взаимодействий при патологии или лечении заболеваний. [128] [129]
Споры об этичном использовании животных в исследованиях начались, по крайней мере, еще в 1822 году, когда британский парламент под давлением британских и индийских интеллектуалов принял первый закон о защите животных, предотвращающий жестокое обращение с скотом. [130] За этим последовал Закон о жестоком обращении с животными 1835 и 1849 годов, который устанавливал уголовную ответственность за жестокое обращение, чрезмерное вождение и пытки животных. В 1876 году под давлением Национального общества по борьбе с вивисекцией в Закон о жестоком обращении с животными были внесены поправки, включившие правила, регулирующие использование животных в исследованиях. Этот новый закон предусматривал, что 1) эксперименты должны быть абсолютно необходимы для обучения или для спасения или продления человеческой жизни; 2) животные должны быть надлежащим образом анестезированы; и 3) животных необходимо умертвить сразу после окончания эксперимента. Сегодня эти три принципа занимают центральное место в законах и руководящих принципах, регулирующих использование животных и исследования. В США Закон о благополучии животных 1970 года (см. также Закон о благополучии лабораторных животных ) установил стандарты использования животных и ухода за ними в ходе исследований. Этот закон обеспечивается программой APHIS по уходу за животными. [131]
В академических учреждениях, где финансирование НИЗ используется для исследований на животных, учреждения управляются Управлением защиты лабораторных животных НИЗ (OLAW). На каждом объекте рекомендации и стандарты OLAW поддерживаются местным наблюдательным советом, который называется Институциональный комитет по уходу и использованию животных (IACUC). Все лабораторные эксперименты с участием живых животных рассматриваются и одобряются этим комитетом. Помимо доказательства потенциальной пользы для здоровья человека, минимизации боли и страданий, а также своевременной и гуманной эвтаназии, экспериментаторы должны обосновать свои протоколы, основанные на принципах замены, сокращения и уточнения. [132]
«Замена» относится к усилиям по поиску альтернатив использованию животных. Это включает использование компьютерных моделей, неживых тканей и клеток, а также замену животных «высшего порядка» (приматов и млекопитающих) животными «низшего» порядка (например, хладнокровными животными, беспозвоночными), где это возможно. [133]
«Сокращение» относится к усилиям по минимизации количества животных, используемых в ходе эксперимента, а также предотвращению ненужного повторения предыдущих экспериментов. Чтобы удовлетворить этому требованию, используются математические расчеты статистической мощности для определения минимального количества животных, которое можно использовать для получения статистически значимого экспериментального результата.
«Уточнение» относится к попыткам сделать экспериментальный дизайн максимально безболезненным и эффективным, чтобы свести к минимуму страдания каждого животного.
Практически все медицинские достижения прошлого столетия, от антибиотиков и инсулина до переливания крови и лечения рака или ВИЧ, прямо или косвенно зависели от исследований на животных, включая ветеринарную медицину.
... методы научных исследований значительно снизили заболеваемость людей и существенно увеличили продолжительность жизни. Эти результаты были достигнуты в основном благодаря экспериментальным методам, частично основанным на использовании животных.
Биомедицинские исследования зависят от использования животных моделей для понимания патогенеза заболеваний человека на клеточном и молекулярном уровне, а также для создания систем для разработки и тестирования новых методов лечения.
Исследования на животных были важным компонентом каждой области медицинских исследований и имели решающее значение для приобретения базовых знаний в области биологии.
Исследования на животных сыграли ключевую роль в понимании инфекционных заболеваний, нейробиологии, физиологии и токсикологии. Экспериментальные результаты исследований на животных послужили основой для многих ключевых биомедицинских прорывов.
Большая часть наших базовых знаний в области биохимии, физиологии, эндокринологии и фармакологии человека получена в результате первоначальных исследований механизмов на животных моделях.
...без этих фундаментальных знаний большинство клинических достижений, описанных на этих страницах, не были бы реализованы.
...животные модели играют центральную роль в эффективном изучении и открытии методов лечения заболеваний человека.
Биомедицинские исследования зависят от использования моделей на животных для понимания патогенеза заболеваний человека на клеточном и молекулярном уровне, а также для создания систем для разработки и тестирования новых методов лечения.
Аргументы относительно того, может ли биомедицинская наука развиваться без использования животных, часто обсуждаются и имеют такой же смысл, как и вопрос о том, необходимы ли клинические испытания, прежде чем новым медицинским методам лечения будет разрешено широко использовать среди населения в целом [стр. 1] ...модели на животных, вероятно, останутся необходимыми до тех пор, пока наука не разработает альтернативные модели и системы, которые будут столь же надежными и надежными [стр. 2].
Животные модели необходимы для подключения [современных биологических технологий] для понимания целых организмов, как в здоровых, так и в больных состояниях. В свою очередь, эти исследования на животных необходимы для понимания и лечения заболеваний человека [стр. 2] ...Однако во многих случаях не будет замены исследованиям на цельных животных из-за вовлечения множества тканей и систем органов как в нормальных, так и в аномальных физиологических условиях [стр. 15].
В настоящее время использование животных остается единственным способом развития некоторых областей исследований.