實驗動物與牠們的產地，恆溫恆濕還有乾淨空氣

輾轉反側，徹夜難眠的時候，您幾點起床？就算醒了，工作效率是否異常低落？
在此，請您非但別只想到自己，還要拿出一點同理心：因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲，也深受困擾。

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊，有一篇標題冗長的論文，叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉^[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson，認為歌唱的時辰與類型，對於喜鵲的社交生活相當重要，並以此做為研究主題^[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前，有些人就已經沒什麼社交生活，更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV，人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

於是，牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先，研究團隊架設陷阱，用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後，再關進裝有監視器的房間裡。接著，為了測量腦電波圖（electroencephalogram, EEG）與肌肉電位圖（electromyogram, EMG），科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉，植入電極貼片（electrodes），方便之後記錄睡眠狀態^[1]。

然後，喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器，左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡，盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前，不加以掩飾；第二次猶抱琵琶半遮面；第三次開始蓋子完全擋住凹槽，令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期，全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」（associative learning），蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子，發現下面藏有食物。這樣重複 15 次，讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難^[1]。

結訓後，研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」（chilled, unmoving mealworms），為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動，科學家也期望牠們展現「反轉學習」（reversal learning）的能力。將蓋子的顏色調換，要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點^[1]，例如：

1. 喜鵲做出第一次選擇時，是否有延遲的行為。緩慢的反應，代表注意力不集中，或動機下降。
2. 喜鵲得經過幾回，才能達到連續 12 次嘗試中，有 10 次正確的及格分數。
3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們，便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段，喜鵲們被劃為三組，分別體驗下列三種睡眠模式之一：無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪，以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招，包括：迫近或拍打鳥舍、發出噪音，或是輕撫充滿睡意的喜鵲^[1]。如同可憐的臺灣中學生，明明前晚都沒睡飽，隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲，怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料，沒睡飽的喜鵲容易犯錯，而且要花較長的時間，才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機，傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示，失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度（alertness）、注意力、警戒等級（vigilance）等，都會受到負面影響^[1]。

除了喜鵲考試的成績，科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺，也不要唱歌。最後就算唱了，單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出，頻寬變得狹窄，內容相較貧乏，顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通，大同小異。當一個人睡眠不足，說話的速度會緩慢下來，咬字不如平常清晰，語句重覆的機率提高，甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息^[1]。

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域，分辨敵友，並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落，也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果，與喜鵲有那麼多的相似處，下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前，我們是不是應該先睡飽，再來思考怎麼社交呢？

備註：此實驗結束後，參與受試的澳洲喜鵲，均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料：

1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)

你聽過科學研究的「再現性」（reproducibility）嗎？如果一個科學研究結果具有再現性，代表它可以被另一個研究團隊，以同樣的控制條件、操作步驟進行重複測量，並獲得與前人相近的結果。這也代表著這項實驗是可以被驗證的，該研究的可信度也越高。

近年來，許多領域都開始重視科學研究的再現性問題，例如 2015 年由科學開放平台（Open Science Framework, OSF）發表在《科學》（Science）的一篇心理學實驗再現性的研究，就重複了三個重要的心理學期刊，包括 Psychological Science、Journal of Personality and Social Psychology、Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition 在 2008 年間發表的 100 個研究，結果顯示僅有 36％的研究具有統計顯著性^[1]。

而在 2016 年刊載於《自然》（Nature）的一篇報導中，團隊以線上問卷調查了 1576 位研究者，發現有超過 70％ 的研究者，無法重現其他科學家曾經做過的研究結果；更有超過 50％ 研究者無法重現「自己的」研究結果^[2]。

再現研究論文時，會遇到哪些困難？

同樣的科學研究再現性驗證也出現在生醫領域。一項由 RPCB（Reproducibility Project: Cancer Biology）團隊耗資 200 萬美元、歷時 8 年，嘗試複製各大具影響力的臨床前癌症研究，其結果於去年（2021）12 月發表於 eLife^[3]。

在看這項研究結果之前，或許我們可以先了解 RPCB 究竟是何方神聖？RPCB 是一個由非營利組織「開放科學中心」（Center for Open Science）與學術平台「科學交流」（Science Exchange），在 2013 年開始合作執行的一項計畫。團隊期望能系統性地重現出 53 篇於 2010～2012 年間，刊登在知名期刊《自然》、《科學》、《細胞》（Cell）中的臨床前癌症相關研究。

即使一開始團隊預計重複 53 篇論文中共 193 項實驗，但最終能成功執行的僅有來自 23 篇論文裡的 50 個實驗，且仍使該計畫延宕了五年才完成。為什麼理想這麼豐滿，現實卻如此骨感？研究團隊在論文中提到了幾項實驗再現的困難與挑戰，例如：

1. 許多原始論文缺少敘述統計（descriptive statistics）和推論統計（inferential statistics）的關鍵數據，像是效果量（effect size)、統計檢定力（power）等資訊，儘管團隊聯繫了原始論文的作者，仍有 68％ 的數據無法取得。
2. 在這 193 項實驗中，沒有一個具有足夠詳細的說明，令團隊能設計出重複的實驗步驟。這使得他們不得不轉向論文原始作者，以尋求更進一步的實驗建議，而在詢問的過程中，約 26％ 作者給了極大的幫助，而有約 32％ 作者對實驗完全沒幫助（或是無任何回應）。

癌症研究實驗的再現性僅 46％？

在缺乏合作、需要詳細檢查並調整實驗步驟的情況下，研究團隊平均需要花費 197 週的時間才能複製出一項實驗。此外，每複製一次實驗的成本高達 5 萬 3000 美元——大約是原先預估花費的兩倍，因此再現 193 項實驗的雄心壯志終究無法達成。

那麼這項耗時 8 年、斥資百萬的實驗再現性研究，給了我們什麼結果呢？

根據團隊在 eLife 發布的第二篇論文顯示，這些臨床前癌症相關研究的實驗再現性僅有 46％，且平均的統計效果量也比原始論文低了 85％^[4]。

在這些被再現的實驗中，原始研究效果量大的往往更容易被複製，而動物實驗則是再現性最差的，這可能是因為在生物體內（in vivo）實驗的效果量，大多低於體外（in vitro）實驗。

只做一次的再現實驗，公信力足夠嗎？

發表在知名期刊上的臨床前癌症研究論文，其實驗再現性居然不到一半，這對於生物醫學相關領域的研究者來說，無疑是一項沉重的打擊。

不過僅憑一次的再現實驗，就評斷一項研究的公信力，對這些研究者來說公平嗎？其中一位研究無法被 RPCB 再現的學者就表示：「他無法確定這些一次性實驗有多少價值。」而那些被選中重現的實驗，當中也不乏已經開始進行第二期藥物臨床試驗的研究。同時也有研究者指出，RPCB 在複製實驗時使用了與原研究不同的細胞株（cell line），也並未在實驗中進行三重複確認最終結果^[5]。

針對這些指控，RPCB 說明這項計畫的目的，並非藉此斷言某些特定研究是無用，或需要被停止的，而是為了點出現今研究的再現性危機（reproducibility crisis），以期望找出相對應的解方。目前也有一些提升研究再現性的方法被提出，像是以盲性研究（blinding）進行體外實驗或動物實驗、採用更大的樣本量、更嚴謹的統計分析方法，以及研究計畫的預先註冊制度（preregistration）^{[註 1]}。

雖然這項大型研究充滿著許多爭議，但也提醒了各領域的研究人員：對於自身研究的每個步驟、統計方法等，都應更加詳盡、仔細的記錄。除了能使後人有辦法針對已發表的內容，進行深入探討外，亦可以提升該實驗被再現的可能性，增加研究的公信力。

而看完文章的你，對於科學研究的再現性又有什麼看法呢？

註解

• 註 1：研究計畫的預註冊是指研究者在進行科學研究之前，先對他提出的假設、方法、分析方式上傳到註冊機構，經由該單位的期刊編輯、同儕審查通過後，再進行研究的一種做法。

參考資料

1. Open Science Collaboration, Estimating the reproducibility of psychological science, Science, Vol 349, Issue 6251, 2015. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aac4716
2. Monya Baker, 1,500 scientists lift the lid on reproducibility, Nature, volume 533, pages452–454, 2016. https://www.nature.com/articles/533452a
3. Timothy M Errington et al., Reproducibility in Cancer Biology: Challenges for assessing replicability in preclinical cancer biology, eLife, 2021. https://elifesciences.org/articles/67995
4. Timothy M Errington et al.,Investigating the replicability of preclinical cancer biology, eLife, 2021. https://elifesciences.org/articles/71601
5. Asher Mullard, Half of top cancer studies fail high-profile reproducibility effort, Nature, 09 December 2021. https://www.nature.com/articles/d41586-021-03691-0

想必你一定有在新聞媒體上看過這樣的標題：「癌症病患新曙光，XX 抗癌藥在動物實驗上表現亮麗！」。但大部分的藥物進入臨床試驗後，卻常常出現藥效不佳的結果，動物實驗和人體試驗之間，似乎有一道難以跨越的鴻溝。

針對這個問題，近期發表在 Nature Communications 上的研究提出一種可能的解釋¹。

動物模式？癌症動物模式？

動物實驗是藥物開發中非常重要環節，藥物必須先在動物實驗中確認其機制、劑量與副作用等多種資訊和安全性後，方能進入臨床試驗。當然，抗癌藥物也不例外。

所謂的動物模式，就是指「在動物身上進行生物、行為之研究成果，及在動物產生的先天或誘發性病理變化，在人類或另種動物有類似現象，以作為參考，此稱為動物模式」²。

其中，當動物模式用於癌症時，我們可以稱之為癌症動物模式，用於測試癌症新藥的實驗動物中，實驗小鼠因其成本低、體積小、易操作，並且有著豐富的多樣性和生理遺傳資料等特性，是最常使用的癌症動物模式。

科學家如何將癌細胞「移植」到小鼠身上？

小鼠的癌症動物模式，根據移植方式可分為以下兩類：

（一）同種移植 (Allogeneic Model)：將同種小鼠體內所產生的癌細胞，移植到同種小鼠身上。

這種方式的優點是方便、快速、成本低，且能避免小鼠免疫系統對移植的癌細胞產生排斥反應。缺點在於小鼠和人類的癌細胞在生理上並不同，未能反應藥物的真實效果。

（二）異種移植 (Xenograft Model)：將非小鼠所產生的癌細胞，移植到小鼠身上。

這種方式的好處在於，將人體產生的癌細胞移植到小鼠身上，可以更好還原人體癌細胞的生理反應，更清楚藥物對癌細胞的作用。但壞處就是正常小鼠的免疫系統會對移植的癌細胞產生排斥反應，因此需要使用免疫功能缺乏的小鼠來進行，成本較高。

而異種移植，依據移植細胞的來源，又可分為兩類模型：

1. 細胞株異種移植 (Cell line-derived xenograft, CDX)：將已建立的腫瘤細胞株^註1移植到小鼠身上。因移植的細胞株已在體外培養多代，所以細胞的來源和特性一致，可快速建立模型，但細胞株在體外培養的過程中，其生理特性會與原始腫瘤組織逐漸不同。
2. 人源性腫瘤細胞異種移殖 (Patient-derived xenograft, PDX)：將病患身上的腫瘤組織直接移植到小鼠身上。此方法能保存腫瘤組織的原始樣貌（例如腫瘤微環境），更能反應腫瘤的真實生理特性，不過建立此模型的成本較高。

PDX 是直接將病患的腫瘤組織移植到小鼠體內，更好的保留了腫瘤組織的生理特性，因此在藥物測試上比 CDX 更具臨床意義，這讓 PDX 模型成為越來越多抗癌藥物在動物實驗上的首選。

雖然 PDX 能更準確地重現人類腫瘤，但令人不解的是：

為何許多在 PDX 中能有效對抗腫瘤的新藥，在臨床試驗卻常以失敗告終？

近日，美國德克薩斯大學休斯頓健康科學中心和麥戈文醫學院的研究團隊，針對這個問題提出一個可能的解釋：病毒感染。

實驗不準可能是病毒惹的禍？

引起他們注意的是 2018 年的一份報告³，該報告指出：

大腸癌 PDX 模型中的大腸癌組織，可偵測到鼠白血病病毒 (Murine leukemia virus, MLV)^註2的 DNA，但病患的大腸癌組織並沒有鼠白血病病毒的 DNA。

因此該報告推測，這些小鼠身上的人類腫瘤組織可能被鼠白血病病毒感染了，也就是說鼠白血病病毒極有可能會感染 PDX 中的人類腫瘤組織。

為了驗證這個可能，首先研究團隊分析了 PDX 資料庫中 184 個 PDX 模型的基因數據，結果顯示，腫瘤組織內有鼠白血病病毒DNA 數據的 PDX 模型，多達 170 個。

鼠白血病病毒從哪裡來？

為了排除鼠白血病病毒是來自 PDX 模型內小鼠細胞的可能，他們分離出 PDX 內的單一個腫瘤細胞，並和病患的腫瘤細胞一同進行定序分析。

結果顯示，科學家無法在病患的腫瘤細胞偵測到鼠白血病病毒的 DNA，但卻在 PDX 模型內的腫瘤細胞找到了，這證實了，小鼠體內的鼠白血病病毒會感染人類的腫瘤組織。

你可能會問，鼠白血病病毒感染對腫瘤組織有甚麼影響？影響可大了！

研究團隊發現，被感染的腫瘤組織其基因表現模式和原始腫瘤組織不同。

當腫瘤感染越多的鼠白血病病毒，腫瘤組織內與免疫反應、藥物代謝的相關基因群，其表現模式會顯著改變，這讓 PDX 腫瘤組織對藥物的反應，很可能不同於原始腫瘤組織。

鼠白血病病毒可以活化 T 細胞！

文章中提出一個免疫療法的例子：PD-1 和 PD-L1。

正常 T 細胞會去攻擊腫瘤細胞，但 T 細胞表面上有一個名叫 PD-1 (Programmed cell death protein 1) 的蛋白質，當蛋白質活化時，它會抑制 T 細胞的活性。

而腫瘤細胞為了避免 T 細胞的攻擊，會在細胞表面上產生 PD-L1 (Programmed cell death 1 ligand 1) 這個蛋白質，當 PD-L1 與 T 細胞表面上的 PD-1 蛋白質結合後，就會抑制 T 細胞的活性，讓腫瘤細胞躲避 T 細胞的攻擊。

針對這個機制，目前常用的免疫療法就是阻斷 PD-1 和 PD-L1 的結合（加入 PD-1 或 PD-L1 抑制劑），讓 T 細胞的活性不會被腫瘤細胞抑制。

研究團隊發現感染越多鼠白血病病毒的腫瘤組織，PD-L1 的表現會越少，這讓腫瘤細胞抑制 T 細胞的能力降低，此時，若科學家再加入 PD-L1 的抑制劑，就會讓小鼠的 T 細胞大舉活化，讓腫瘤細胞大量死亡。

如此一來，在動物實驗的階段中，科學家可能就會高估了 PD-L1 抑制劑的效果！在 PDX 模型中，雖然 PD-L1 抑制劑看似有效，但進入人體試驗後效果可能會大打折扣。

在人體的臨床試驗中，因為人體腫瘤組織並沒有被鼠白血病病毒感染，PD-L1 的表現量比 PDX 模型更多，抑制 T 細胞的能力更強，如果 PD-L1 抑制劑的效果不夠強或者劑量太少，很難產生效果。

別擔心，PDX 模型並未被全盤否定！

過去科學家們都認為，由於 PDX 模型是直接將未經處理的病患腫瘤組織移植到小鼠體內，在各方面保留大部分腫瘤的生理特點，因此具有較好的臨床療效預測性，但也許事實並非如此。

這篇研究的結果顯示，某些抗癌藥物雖然在 PDX 模型中療效顯著，但由於藥物殺死的是被鼠白血病病毒感染的腫瘤細胞，和原始人類腫瘤的生理特性已不同，因此藥物在人體試驗中可能無效。

當然這個研究並非否定 PDX 模型，而是提出改進方向，PDX 仍是目前最能反應真實人類腫瘤特性的動物模型，只是，未來科學家在使用 PDX 模型時，需定期對實驗動物進行病毒感染測試，從而減少病毒對腫瘤組織的影響。

另外病毒感染也只提供一部份解釋，相信隨著更多研究的投入，能讓我們更了解動物實驗和人體試驗間的鴻溝。進而讓我們設計出更好的動物模型，提升藥物開發的效用與安全性。

註釋

1. 細胞株：細胞株是指原始細胞（可能來自組織、器官或細胞）經過篩選後，可重複培養的細胞群。細胞株培養出的每個細胞狀態都極為相似，因此是研究細胞生物學的重要材料。
2. 鼠白血病病毒 (Murine leukemia virus)：是一種能導致鼠類產生腫瘤的反轉錄病毒，目前發現也會感染其他脊椎動物。

參考資料

1. Yuan, Z., Fan, X., Zhu, JJ. et al. Presence of complete murine viral genome sequences in patient-derived xenografts. Nat Commun 12, 2031 (2021).
2. 梁善居／國防醫學院動物中心主任：第九章－人類疾病之動物模式（Animal Models for Human Diseases）
3. Bock, S., Mullins, C. S., Klar, E., Pérot, P., Maletzki, C., & Linnebacher, M. (2018). Murine Endogenous Retroviruses Are Detectable in Patient-Derived Xenografts but Not in Patient-Individual Cell Lines of Human Colorectal Cancer. Frontiers in microbiology, 9, 789. 
4. Why some cancer drugs may be ineffective