教學中動物實驗替代方法應用進展

蔣亞君,榮 蓉,劉曉宇,盧選成

(中國疾病預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],涉及科學研究、教學、生產、檢定以及其他科學實驗等多個領域,對科學發展有不可替代的作用。 與此同時,國際上強調實驗研究必須有倫理正當性并遵守“3R” 原則(reduction, replacement,refinement)[2]。 目前,體外替代方法在基礎研究中發揮重要作用,很多替代方法已被證實更科學、經濟和迅速,并獲得廣泛應用[2-3],通過跨學科領域之間的積極合作,實驗動物替代方法、技術的驗證及研發仍在快速發展中[4-6]。 教學領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勢在一些國家和地區已得到證實。 故本文就教學中實驗動物的替代方法進行介紹和分析,以期為我國教學中實現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

自遠古時代,人類就開始通過動物來認識生命現象,動物解剖是生物學最早的組成部分。 公元前,古希臘自然哲學家德謨克利特對各種動物進行系統解剖,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、檢測和教學等領域,為科學發展做出巨大貢獻。 自上世紀中期以來,隨著經濟發展和道德水平提高,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《關于善待實驗動物的指導性意見》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,對實驗研究結果的準確性和可靠性會產生較大影響[12]；同時,重視研究和教學中的動物福利,有利于培養具有人道主義精神和科研素養的專業人員[13]。 故無論基于道德要求抑或是科學研究要求,都應重視動物福利倫理,落實“3R”原則。

1.2 教學中動物實驗替代的必要性及可行性

在教學中,實驗動物常用于觀察生理現象、練習外科技術、解剖[14]等方面,主要用于學習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,教學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 由教學目的決定

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

1.2.2 由培養人才的要求決定

在教學中提高動物福利意識、替代動物實驗,有利于學生建立正確的對待有生命動物的態度。在我國,由于教學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生,故在高校中加強實驗動物福利管理工作,在課程設置中落實“3R”原則刻不容緩。 另一方面,有學者通過對學生態度的調查顯示,部分學生對教學中是否需要大量實驗動物表示懷疑,多數學生對于使用電腦輔助學習持支持態度[16]。 因此基于以上兩方面,替代實驗動物符合現實的要求。

1.2.3 科技發展使實驗動物替代成為可能

一方面互聯網的快速發展,大幅度提高資源的共享性。 通過國際實驗動物替代網站,可搜尋適用的替代方法信息。 此外,互聯網所衍生的虛擬現實技術、影音資料等都是良好的實驗動物替代方法。另一方面實體經濟的快速發展,使替代用具的生產更加精細化和專業化,在提升質量的同時降低成本,為仿真教具的普及奠定了良好基礎。 在教學中結合使用線上和線下技術,可一定程度上替代實驗動物的使用。

2 國內外教學中實驗動物使用情況

2.1 國際上教學實驗動物使用

據估計在世界范圍內,每年用于教學的動物數量約1000 ～1500 萬只[12]。 隨著科學技術、倫理道德的發展,很多國家都有意識減少教學用動物數量[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的介紹[14]。 2011 年全美僅有7所醫學院使用動物進行外科實驗教學,在2016 年6月美國和加拿大最后一所在教學過程中使用活體動物進行實驗教學的醫學院也宣布不再使用動物。 在亞太地區,印度很重視高等教學中替代方法的應用。2013 年,印度藥房理事會和印度牙科理事會要求各成員大學停止在其各自學科中使用動物進行培訓[18]；2014 年,印度醫學委員會要求在臨床醫學課程中使用計算機輔助學習替代動物進行生理學和藥理學培訓[18]。 巴西于2008 年開始進行動物研究的監管；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 我國教學用實驗動物使用

在我國高校中,醫學、生物學、藥學、動物科學等專業領域的實驗教學中,都涉及到動物實驗教學[20]。 據不完全統計,我國每年在教學中所用的動物數量不低于100 萬只[12]。 在醫學、動物學等學科快速發展的同時,教學用實驗動物的使用數量也急劇增加,但相關管理制度卻存在缺失。 開展動物實驗的人員因無知、疏忽導致傷害實驗動物的情況仍然存在[21]。 2015 年,西安某醫學院發生實驗用狗遺棄、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造了良好的外部環境。 2015 年,鄭亞楠[22]等對贛南醫學院200 名臨床醫學、預防醫學的學生進行調查,結果顯示,大部分學生富有同理心,認為應該針對虐待、故意傷害實驗動物等這些不良行為設立相應的法律法規。 我國高校也開始著手優化課程, 盡量在實驗設計中考慮“3R” 原則[9,15,20,23-25]。 但我國動物實驗替代方法的發展剛剛起步,替代研究不多,缺乏系統化的建設[26],尤其針對教學中的替代方法,仍有待積極探索,尋求更好的方法。

3 教學中替代實驗動物的方法

目前有多種可在教學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、幫助學生理解的器物[28]。 獸醫仿真教具按照類型可分為標本模型類和操作訓練類兩大類,標本模型類仿真教具包括仿真動物骨骼標本和仿真動物器官標本,主要應用于獸醫解剖學課程教學演示環節[29]。 這類教具在國內動物醫學專業課堂教學過程中也有應用[30],如專業的人體骨骼模型(頭骨模型、關節模型)、各循環系統模型(消化系統、呼吸系統、泌尿及生殖系統等)、整體模型(醫學模擬人)；動物模型包括:動物細胞模型、大鼠、小鼠、青蛙、雞、豬等解剖模型。操作訓練類教具應用如下:

國外某些醫學院采用仿真擬人TraumaMan 系統,仿真度極高,在高級創傷生命支持(ATLS)手術中,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,相比傳統的動物實驗,該系統的持續成本低,也更容易在偏遠地區應用。 另有用于模擬生物動力學的模型,應用歷史超過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用[30]。

我國市場上現有模擬人教具,其肌肉、骨骼、血管、神經以及各種臟器按照正常人體統計數據制作,具有眨眼、說話、呼吸、心跳等生命體征[31],包括心臟復蘇模擬人、護理技能訓練模型、氣管插管訓練模型、婦嬰技能訓練模型、針灸模型等；除市場上的模型以外,教學機構還可根據教學情況自行改進,如江蘇省新沂市人民醫院在原有仿真系統上制作的仿真膀胱、仿真胃、仿真靜脈輸液通路,應用很好[32]。

模型、道具和機械模擬器具有以下優點:(1)使用仿真教具使學生更易于接受,可重復操作性強、操作安全、練習時間更自由[33]；(2)這類仿真教具實踐教學成本低,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

3.2.1 膠片教學

本文所指膠片是醫學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資源,資源共享性高,通過膠片,可提高學生的學習興趣,幫助學生更好的理解專業課相關內容,從而提高教學效果。 研究顯示,將傳統影像膠片進行數字化處理后,閱片效果更好[35]；電子影像膠片靈活性高,可放大某些較小結構,并且可將其帶到任何地點進行研究學習,實驗證明在醫學、影像解剖學的實驗教學中運用電子影像膠片結合實體影像膠片可顯著提高學生學習效率[36]。 目前的專利全息投影教學裝置,只需通過語音或手勢或降低環境的亮度即可切換影像,使用簡單方便[37]。 不過該技術仍處于初步研發狀態,仍需進一步改進。

3.2.2 視頻教學

心理學家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]。 視頻學習的方式生動形象、步驟清晰,易于學生理解和接受。 技能操作類視頻主要通過展示、示范等方法,幫助學習者習得某種技能[39],可暫停、回放、調整播放速度,同時可自行安排時間反復模擬練習,靈活度高。 實驗表明,學生對于操作視頻學習的滿意度較高,且通過操作視頻學習的學生,其操作技能考核成績也優于沒有觀看操作視頻的學生[40-42]。 通過操作視頻及假人手臂練習24 次后某醫院的學生均通過考核[43]就是一個很好的例子,證明視頻教學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

虛擬仿真實驗系統是指以計算機虛擬現實和數碼仿真技術為核心,生物仿真引擎、處理因素數據庫、虛擬環境界面等多種技術為支撐的系統[44]。其中,醫學模擬系統包括基礎解剖模型、局部功能訓練模型、計算機交互式訓練模型、虛擬現實和觸覺感知系統及生理驅動型模擬等幾大系統[45]。 這種基于計算機模擬的系統涵蓋范圍較廣,練習結果的評分客觀可靠[46-47]。 目前,“虛擬動物實驗”已發展到活體動物實驗可通過多媒體形式展現的程度[48],其準確性和存在度較高,可實現部分代替作用[49]。 很多學校均已開展虛擬實驗室的研究,例如南京醫科大學虛擬實驗室,其實驗室包括3D 視頻簡介、動物實驗、虛擬實驗、模擬考試和設計實驗平臺[50],已運行13 年,取得良好的教學效果。 同樣,有多所大學采用的VBL-100 虛擬實驗室系統涵蓋40 多個機能學實驗的全套模擬仿真,也應用良好[51]。

虛擬仿真系統具有成本低、可重復操作性強、共享性好等優點[50]。 表現為(1)通過虛擬仿真實驗系統,學生可自行開展相關的實驗操作,不受現實條件的制約,不僅可提前預習,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動學生的積極性和主觀能動性,有利于培養學生的學習興趣與能力、科學意識和創新精神[50]。據報道,在診斷學、臨床醫學實驗教學中,運用虛擬實驗室教學的效果要優于傳統教學[53-54]。 (2)對學校而言,虛擬實驗系統一方面可豐富實驗內容,提高教學效果；另一方面,可有效解決實驗器材易磨損、實驗動物昂貴、實驗經費緊缺、課程安排緊張等方面的問題[55-56]。

3.4 3D 打印技術

3D 打印是一種以數字模型文件為基礎,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造物體的技術[57],可降低模具制造費用、減輕模型重量。 該技術已應用于多個領域,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 打印技術制造的解剖樣本和復制品可還原組織器官真實位置和顏色,有利于醫學生學習和深入理解[63]。 3D 打印技術逐漸趨于完善,如中國科學院武漢病毒研究所制作的幾種有代表性的病毒模型[64],2019 年以色列科學家打印的全球首個完整心臟,包含心肌細胞以及血管,這些模型形貌生動形象,還原度高。 目前3D 打印費用較高,因此應用不夠廣泛,但隨著技術的成熟、設備成本的下降,可很好的用于教學領域。

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育、解剖結構不同,但材料獲取簡便、檢測容易且觀察方便,適合于細胞層面研究,是替代方法可考慮的方向之一。 此外,養殖場、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,同時養殖場存在病死動物隨意丟棄和不規范處理等問題[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,不僅實現資源的重復利用,還可增加學生用于練習操作的對象。

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

4 結語

在教學領域,尤其是高等院校在培養醫學生和獸醫學生過程中采用大量的實驗動物。 無論是出于倫理、動物保護、環境可持續發展抑或是科研的角度[11],替代方法都是一個有優勢的選擇。 教學中替代方法多樣,其中模型、道具和機械模擬器的使用,膠片和視頻教學,虛擬仿真實驗系統等方法已廣泛使用；前沿性技術如3D 打印技術、組織工程器官等也應時刻關注,在技術成熟、成本適當的情況下建議采用；此外,植物實驗、養殖場廢棄的材料、動物診所安樂死的動物等,經嚴格的監督檢測及安全培訓后,也可作為實驗動物替代的重要資源；醫學院學生通過相互練習或在臨床實地學習,也是替代實驗動物使用的有效方法。

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