用动物测试毒性这件事,有一部分可能可以让计算机来做了

7 11 日,《毒理科学》(Toxicological Sciences) 期刊发表研究,称基于数据库的计算机软件能够很好地预测某种毒性,而这种预测能力比动物实验表现甚至更好。这意味着,计算机可能有潜力取代动物实验,终结这项几个世纪以来饱受非议的科研活动。

研究显示,计算机预测毒性的平均准确率约为 87%,也就是说,87% 的预测符合过去动物试验的结果。相对地,动物测试的准确率只有 81%

真是令人大开眼界,这表明我们可以用计算机的预测取代许多动物测试,并获得更可靠的结果,参与本次研究的毒理学家 Thomas Hartung 说。Hartung 是约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的一名教授。他认为,这可以替代每年数百万次的动物实验,后者包括将化合物滴入兔眼,或者给老鼠喂食超过致命剂量的化学物质。

100% 确信,这将成为未来毒理学的支柱,德国毒理学家Bennard van Ravenzwaay 向《自然》杂志评论道。

目前,该算法可应用于从皮肤腐蚀到眼睛刺激的九项常规试验,覆盖了 57% 欧盟动物实验的项目。

据悉,用计算机评估化学毒性的好处之一,是无需重复实验。这一方面能带来效率,另一方面也减免了伤害。在七十多年间,饱受争议的德莱塞测试(Draize Test)就几次三番地往兔子等动物的眼中滴入化学试剂。据论文中援引的数据显示,有两种化学物质至少在动物身上被测试了 90 次,69 种超过 45 次。

对此,常见的解释是:并非每只动物的反应方式都相同,对同一化学物质的重复动物试验可以得到不同的结果,因此,样本较小的实验不具有普遍意义。而软件的预测比任何个体动物试验都更可靠,论文写道。

此外,这项成果还可以惠及更多消费者。以往,一些安全性测试不得不借助动物试验,但其高昂的成本让许多企业望而却步。Hartung 举了个例子:一款售价是几美元的杀虫剂新品可能需要做 30 次动物试验,为此,公司需要付出约 2000 万美元。

当然,动物实验还面临伦理上的指控。尽管没有准确数据统计每年有多少只小鼠、兔子、豚鼠、狗等动物在世界各地的实验室被实施实验,但据估计,这个数字超过一亿。

2013 年,俄罗斯细胞学和遗传学研究所(The Institute of Cytology and Genetics)为生物学研究的无名英雄——实验鼠建立了一座纪念碑。

数十年来,实验动物就一直是科学家们试图解决的问题,其基础为 1959 年提出的 3R 原则,即动物实验的替代(replacement)、减少(reduction)以及优化(refinement)。包括分子生物学、干细胞技术、图像分析、计算机模拟技术在内的各领域,都参与探讨了用技术替代动物实验的可行性方法。

此次研究就是计算机模拟技术的初步胜利。之所以能够有所突破,要归功于数据库的庞大规模。自 2014 年以来,团队就开始整理分析公开数据,现在的数据库里涵盖了 10,000 种化学物质的信息。这些数据来自有机小分子生物活性数据库(PubChem)、欧洲化学品管理局(ECHA)以及美国国家毒理学计划(NTP)。

在五年前这不可能完成。(现在的进展是因为)化学品监管机构向公众公布了大量的毒理学和物理性能数据,论文作者之一 Craig Rowlands 说。

但面对体量如此庞大的数据,如何预测化学物的毒性?

阅读论文可以发现,这种利用计算机预测毒性的方法是通过交叉参照(read-across)实现的。简单来说,研究人员先将具有相似物理化学性质、毒理学作用机制的物质放在一块,成立化学物分类组。然后,在各组内应用交叉参照法,即,从一种参考物质的数据,预测组内其他物质的特性。最后,再与数据库中大约 80 万种动物实验结果进行比对,验证准确性。

总而言之,这种预测手段是通过已知化学物质的毒性,来推断未经检测的相似物毒性。较动物实验等传统方式而言,它不需要对每种物质都进行试验。这可弥补一些数据的缺失,更为简单和高效。此外,这也是经合组织(OECD)推荐的经计算机预测化学物毒性的基本方法。

不过,要让计算机完全代替动物实验,现在还不是时候。欧洲化学品管理局(ECHA)的负责人 Mike Rasenberg 表示,在评估更复杂的危害时,例如在癌症和生育能力的领域中,动物试验仍然不可取代。

这还不会是动物试验的结束,” Rasenberg预测,但对于简单的毒性来说,这是一个有用的概念。

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