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實驗動物福利全新升級:中型動物實驗平台啟用

劉珈均
・2015/04/27 ・4354字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

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從電影《水深火熱》、《猩球崛起》、《忍者龜》到《新世紀福音戰士》裡的溫泉企鵝 penpen,戲份輕重都是在談實驗動物,有些還產生變化、反噬人類,其中的生命倫理戲裡戲外都一直受到討論。本月21日,國家實驗研究院位於台南科學園區的動物中心啟用中型動物試驗平台,期盼可以實際提昇國內實驗動物福利以及研究能量。

中型動物試驗平台的實驗動物以蘭嶼豬與兔子為主軸,主要供作骨科、牙科、心血管、影像及微創手術等高階醫材的臨床前動物手術驗證。中心提供人醫級手術設備與照護空間,研究人員公開宣誓注重動物福祉,希望帶動國內從業人員同等重視動物福利與科學研究兩者,並促進相關議題討論。

過去兩三年,台灣的動物實驗相關爭議未曾中斷,聚焦討論動物實驗必要性。此外,因為缺乏明確法律規範的緣故,多數動物生命是因環境不良,缺乏良好飼育、照護以及手術環境而犧牲,而研究人員對實驗動物宣誓的小儀式背後濃縮了許多研究者在第一線操刀的掙扎與思考──研究者有責任也將動物權利放在心上,並將它做到最好,至少作到提供良好照護環境,以及精準完善的實驗設計。

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動物中心研究人員在記者會上宣誓,是國內首度有科學家公開為實驗動物福利發表誓詞。圖/劉珈均攝。

人醫等級動物專用手術房

動物中心副研究員秦咸靜博士說,許多單位的動物手術房都相當簡單,可能就一個房間放一台手術台,因陋就簡。動物中心的空間則是為動物專用而打造,設備也為動物改良設計。至於獸醫編制,台北分部有五位,南科分部有三位,獸醫師主要負責實驗動物的健康照護,以及支援麻醉步驟,手術開刀會另跟富經驗的獸醫師合作。

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在動物房區域,兔子、豬和狗各有寬大動物籠,還備有玩具與遊戲室。手術房區域則將研究人員、動物與手術器械的動線分為三區,手術設備有超音波、升降手術台、恆溫水毯、手術電刀、電腦斷層掃描、氣體麻醉機、生理監視儀等,手術房可同時執行四台手術,牆上有影像設備可轉播手術實況作為教學之用。動物也有術後恢復區,備有烤燈、生理監控設備等器材,確認動物恢復至一定程度再回動物房。

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手術房的樣子。手術房並設計有不斷電系統,萬一停電,能維持90分鐘電力供應,讓獸醫完成手術。圖/劉珈均攝。

麻醉是許多動物實驗失敗的關卡,「傳統作法是一個麻醉師在旁邊看,看這個人或動物麻醉的深度如何,全都靠這個人。」動物中心動物試驗組組長蘇裕家說。不同物種和手術需要不一樣的麻醉,氣體麻醉機是利用吸入麻醉氣體麻醉動物,此機型可針對不同物種或手術設定麻醉方式,經測試後可設定為12種模組的麻醉最佳化設定。有別於傳統機型,它也能偵測動物呼吸甚至幫助控制呼吸,設定好氣體容量、氣體壓力、頻率,將氣體送到動物身上。若氧氣筒的氧氣不夠,機器也能抽室內空氣與麻醉劑混合。

實驗動物依重量分級,重量小於2公斤的老鼠為小型實驗動物,各研究機關實驗室都可以作;2至30公斤的如兔、犬、迷你豬為中型實驗動物,大型醫院多有附設中型動物實驗平台,動物中心也屬於此層級;大於30公斤的豬、羊、牛為大型實驗動物平台,台灣尚無能力建構,需要大型實驗動物的單位多從國外進口,唯苗栗一家民間公司「豬博士大型動物試驗場」提供大型實驗豬隻蓄養與實驗場域。

蘇裕家預估動物中心一年接20幾件案子,中心的蘭嶼豬來自農委會畜產試驗所台東分所;實驗兔則由中心自力培育無特定病原(specific pathogen free, SPF)等級的兔子,自農委會家畜衛生試驗所於去年12月停止供應SPF實驗兔後,未來動物中心會是台灣唯一提供SPF兔子的機構,一年供量約300隻,主要作為藥品檢定之用。

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動物實驗爭議

動物實驗的議題一直爭論不休,本月17日國民黨立委王育敏召開記者會,提出《化粧品衛生管理條例》修正案,禁止化妝品業進行動物實驗,24日一讀通過;紐西蘭今年三月底剛通過法令禁行化妝品動物試驗;2014年一月8隻歷經8年藥物動力學實驗的米格魯故事也引發討論(見泛科學討論串精華);台灣過半數的動物實驗機構無獸醫編制;2013年7月台灣爆發狂犬病疫情,農委會提出「鼬獾狂犬病毒動物試驗計畫」,計畫以190隻小鼠、36隻鼬獾、14隻米格魯進行攻毒試驗以了解傳播途徑、驗證疫苗效力,此計畫引發爭議,延緩至隔年,2014年5月台灣動物社會研究會對此提出調查報告質疑其防疫效益與科學必要性(報告原文),農委會重新規畫。日前泛科學記者向農委會確認,小鼠實驗已完成,待下半年鼬獾實驗完成、分析數據後再決定是否進行米格魯試驗。

倫敦大學動物福利協會(1928年更名為動物福利大學聯會 Universities Federation of Animal Welfare, UFAW)於1950年代提出的「3R原則」是目前判斷動物實驗必要性的主要依據:替代(Replacement)、減量(Reduction)及精緻化(Refinement)。意即盡量尋求替代方式、減少使用活體動物作實驗,並完善實驗計畫與實驗動物照護環境。

秦咸靜簡報時提到,全球實驗動物有75%是大小鼠,15%實驗魚,5%實驗兔,5%豬、犬、牛、羊、雞、兩棲爬蟲類、非人類靈長類。秦咸靜說,台灣一年的實驗兔(不分種類)總使用量約兩萬隻(其中SPF等級的兔子用量約一年一千隻),實驗豬的用量每年約2500隻(含肉豬與迷你豬)。

動物實驗的目的什麼?實驗動物如何選擇呢?

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為什麼我們需要動物實驗?

Beagle Dogs in Research for Animal Testing
實驗室裡的米格魯。photo credit: www.understandinganimalresearch.org.uk

秦咸靜解釋,兔子常用於生物相容性試驗與抗體疫苗產製,有些動物疫苗如豬瘟疫苗也會用到兔子;許多人都聽過業者用兔子試驗化妝品的刺激性與敏感性,但除了化妝品,化學品、隱形眼鏡、OK蹦等會長時間和人體接觸的用品皆需要此試驗,更別提要進入人體的醫療器材。「若不做(動物)試驗,就只能人來作。」會選兔子是因為牠免疫系統特別敏感,「體型也比小鼠大鼠適合,不用將東西縮小太多。」蘇裕家補充。

豬的器官尺寸及生理結構與人體相像,皮膚移植、創傷修復、再生醫學、幹細胞治療都會用到豬。以前台灣多使用大豬作心臟與器官移植研究,現在為了飼養與照護方便,多用迷你豬(除了心臟瓣膜這類研究仍有體型限制,仍需要用大豬)。秦咸靜也提到,因為人對狗有較多情感,對於使用實驗狗觀感不佳,有些法規規定用狗作標準實驗動物,實驗者卻會改用豬作實驗。

「狗目前無法被取代的是毒性試驗。」秦咸靜和蘇裕家解釋,醫學上用狗作實驗的歷史將近百年,資料完整,其中米格魯是最常用的實驗犬,「因為米格魯標準成犬都10公斤,怎麼長就是10公斤,劑量什麼的很好算。」加上品系純正,成為標準實驗動物。

秦咸靜解釋:「在狗身上測試後的數據較能預測在人身上的狀況。不能說換就換,那需要很長一段時間的驗證和數據累積,不是說換成豬,在豬身上有效就有效,沒毒就沒毒。」目前有研究探討轉換實驗物種與減量,但不是短期內可以完成。

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根據「藥品非臨床試驗安全性規範」(去年7月公告的第五版為最新內容),新藥在臨床試驗前必須分別經過嚙齒類與非嚙齒類動物試驗,「這全世界法規都一樣,因為大小鼠跟人差太遠了,中間要再挑一個,而中間品系選項沒幾個,就兔子、狗、豬、靈長類。」秦咸靜說。

各種實驗動物中,猴子和狗的術後安養照護的需求較大,其他動物大多會為實驗犧牲,根據農委會《實驗動物人道管理年報》,台灣一年使用一百多萬隻實驗動物,整體死亡率約八成,嚙齒類占多數。秦咸靜解釋,原則上只會讓動物經歷一次手術,不會讓同一隻動物這輩子一直重複挨刀,所以採樣後就讓牠犧牲(安樂死),「以實驗室角度,會希望牠感受到痛苦之前就讓一切都結束,而不是讓牠受苦後半生。」

誓言的意義

動物中心的宣誓內容延伸自世界醫學會發表的「赫爾辛基宣言(Declaration of Helsinki)」精神,該宣言探討人體試驗倫理,亦提及須注重實驗動物福祉。

「這些動物跟我們朝夕相處,最了解牠的就是照顧牠的人,如果連照顧他的人都不願多盡一點心力的話,那外面的人再怎麼喊都沒有助益。」秦咸靜說,宣誓的意義有兩個層面,一是以國家機關的身分作為起頭,影響國內其他機構與飼育人員,呼籲完成科學目標不是唯一任務,維護動物福祉應是同樣重要、甚至是更重要的使命。

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另一方面,相關人員常覺得動物實驗殘忍而不願意提,「我們公開討論這件事是希望讓大家知道,若這件事無法避免,那我們有責任把他作好。」秦咸靜提到,曾有實驗者說,這宣誓讓心中有了寄託,「終於可以去承諾什麼事情,而不是一個見不得人的祕密永遠無法講。」她說,歐盟地區動物權呼聲高的時候,科學進展相對緩慢,甚至學生會怯於選擇醫學、生科相關領域,「不討論的話,只會看到天平一端的資訊,這不是太公平,因為我們現在還無法避免動物實驗,我也很希望有一天能完全不要作。」

蘇裕家述說研究常遇掙扎,例如在動物身上種腫瘤或注射藥物,雖然事先審理實驗時便會制定好,腫瘤多大時就要犧牲該動物,避免動物隨腫瘤長大而受苦。然而,當藥物效果不明顯時,研究者就會希望再多養一段時日,讓對照組動物的腫瘤再大一點,期待實驗數字更顯著,「今天作這宣誓就是提醒自己,沒有一個實驗會比這些宣誓中道德的事情重要,要把動物福祉放第一位。」

動物中心助理研究員吳侑峻博士以前從事醫材開發,常到醫院或其他設備品質不高的地方作動物實驗,一來可能獸醫的專業度和精良度不足,二是進行醫材植入這類侵入性較大的手術時,常造成動物麻醉中死亡,「其實動物實驗作得越精確,越不需要重覆去作。」若手術過程完整、動物照護完善,數據會更可信,對後續人體臨床的可預測性也更高,不只可以減少動物犧牲(達到3R中的「減量」),也能提高資源投入效益。

台灣動物社會研究會執行長朱增宏表示,國家單位公開表態值得肯定,但實驗動物管理更核心的問題在於「不好的單位應該淘汰。」雖然相關單位和NGO投入許多人力稽查、檢驗,但現行制度下,法源依據不夠、沒有退場與懲處機制、檢查密度不足,造成動物實驗單位素質參差不齊。

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「全國大概有200多個動物實驗單位,近七八年來開始每年抽查40幾個單位,有些機構4至5年才會去一次,有些單位隔幾年去看甚至還退步。」朱增宏表示,這些表現不良的「後段班」約占3成,大學、藥廠、醫院居多,主管機關分散也造成管理困難,例如大學研究歸屬教育部或科技部,醫院與藥廠歸屬衛福部。而《動物保護法》對實驗動物只有兩三條原則性的規定,比起管寵物的少很多,農委會查核時對表現不好的單位只能「給予建議」,缺少足夠法源真正規範表現不佳的單位,是目前急待解決的問題。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?
胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

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。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

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。

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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]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 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。

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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?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

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。

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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)

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胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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超過 50% 的癌症研究實驗無法被重現?RPCB 耗時 8 年點出「再現性危機」
Yiting_96
・2022/01/14 ・2375字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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 ScienceJournal of Personality and Social PsychologyJournal 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]

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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。

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非營利組織「開放科學中心」的標誌。圖/RPCB

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?

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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。

白色實驗室禮服的女人
RPCB 團隊發現,再現一個實驗需要將近四年的時間,且成本是預想中的兩倍,無法完成 193 項實驗。圖/Pexels

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]

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若能使用相同細胞株並進行三重複,應該能減少再現實驗的誤差。圖/Pixabay

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]

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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
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我們哪裡不一樣?為何在小鼠實驗有效的抗癌藥,常在人體試驗失靈?
羅夏_96
・2021/05/09 ・3424字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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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

動物實驗和人體試驗之間,有一道難以跨越的鴻溝。圖/Pexels

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

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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。

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(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。

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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。

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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。

PDX 腫瘤細胞可以檢測到 MLV。圖/參考資料 1

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

PDX 單個腫瘤細胞與病患腫瘤細胞的定序示意。圖/ 參考資料 1

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。

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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。

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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。

PD-1 和 PD-L1 的作用與其抑制劑 (Anti PD-1/PD-L1) 的應用。圖/免疫療法:Anti PD-1 和 Anti PD-L1

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。

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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
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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟