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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

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。

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。

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?

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。

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。

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。

「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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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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