為了評估某種物質(zhì)對人類的安全性，仍然需要動物研究的數(shù)據(jù)。但是，弗勞恩霍夫毒理學(xué)與實驗醫(yī)學(xué)研究所ITEM與來自13個的39個合作伙伴合作進行了一系列項目，所有這些項目的共同目標(biāo)都是：實現(xiàn)范式轉(zhuǎn)變-從動物實驗向更深入的了解化學(xué)物質(zhì)的工作原理。

在德國，數(shù)年來，測試動物的數(shù)量大致保持不變。根據(jù)德國聯(lián)邦糧食和農(nóng)業(yè)部(BMEL)的數(shù)據(jù)，2018年共有2,825,066只動物用于動物實驗。漢諾威Fraunhofer ITEM的硅毒理學(xué)系主任Sylvia Escher博士正在尋求開發(fā)動物試驗的替代方法?；瘜W(xué)家解釋說：“在我們的研究所，我們與各個小組一起研究化學(xué)風(fēng)險評估的新概念。” 她命名的兩個示例是EXITOX和EU-ToxRisk項目。這兩種方法都旨在開發(fā)基于人類細胞系和器官切片的測試策略，旨在減少并從長遠來看替代動物實驗。

更好，更保守的選擇

目的是開發(fā)一種不僅更保守而且更好的替代方案。在常規(guī)動物測試中，科學(xué)家觀察到在施用測試物質(zhì)后是否發(fā)生了毒性作用，例如相關(guān)器官的炎癥或組織變化。尤其是，他們試圖確定是否持續(xù)暴露于某種物質(zhì)會損害生物體，還是低濃度(例如每天從空氣中吸收的濃度)是否仍然不重要。“在EU-ToxRisk和EXITOX中，我們正在研究導(dǎo)致觀察到的毒性作用的作用方式。并且鑒于我們使用的是人體測試系統(tǒng)而不是動物測試，我們非常希望結(jié)果會更相關(guān)對人類而言。”埃舍爾指出這種方法的好處。

來自Fraunhofer ITEM的多個工作組參與了作為EU-ToxRisk項目一部分而進行的九個案例研究中的三個。體外測試系統(tǒng)工作組負(fù)責(zé)人Tanja Hansen博士目前正在以二酮為例，研究揮發(fā)性化合物的毒理學(xué)。該物質(zhì)組的最著名代表是二乙?；?，這是一種天然存在于黃油中的化合物。例如，工業(yè)生產(chǎn)的版本用于為爆米花賦予黃油風(fēng)味。

用人體組織模擬

人們吸入二乙酰時會怎樣?會傷害肺嗎?為了回答這些問題，Escher和Hansen使用了Fraunhofer ITEM開發(fā)的儀器：PRIT ExpoCube。這使他們能夠模擬揮發(fā)性物質(zhì)對細胞和組織的影響。

為了模擬肺部情況，科學(xué)家使用了在氣液界面膜上培養(yǎng)的人支氣管上皮細胞。氣態(tài)二乙酰通過PRIT ExpoCube傳遞到這些細胞的表面。然后采用生化方法檢查對細胞的影響。經(jīng)過對基因表達的全面分析，研究人員可以確定細胞激活或失活了哪些基因。然后，他們使用該數(shù)據(jù)來確定細胞內(nèi)哪些信號通路被激活。這些可能是導(dǎo)致產(chǎn)生引起炎癥的信使物質(zhì)的信號通路。

在下一步中，調(diào)查將進行到器官級別。在這里，研究人員使用從人體肺部培養(yǎng)的活組織切片，這些切片具有實際器官的許多功能。與細胞培養(yǎng)一樣，現(xiàn)在將肺部暴露于PRIT ExpoCube中的二乙酰基中，然后進行分析。

為了模擬人體中吸入物質(zhì)的行為，項目合作伙伴使用了稱為“計算機方法”的復(fù)雜計算模型。這些計算機輔助模型能夠高度精確地再現(xiàn)生物體如何吸收，分布和排泄吸入物質(zhì)。Escher解釋說：“結(jié)合體外和計算機模擬數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地了解二乙酰等物質(zhì)如何損害肺部。”

使用類似物質(zhì)的數(shù)據(jù)

將替代方法納入風(fēng)險評估的第一步是跨方法。如果要按照此方法批準(zhǔn)一種新化學(xué)品，首要任務(wù)是尋找已經(jīng)存在動物試驗毒理學(xué)數(shù)據(jù)的類似物質(zhì)。在交叉讀取方法中，此數(shù)據(jù)隨后應(yīng)用于新化學(xué)品。埃舍爾說：“這種方法已經(jīng)在使用。但是，在實踐中，仍然很難證明兩種化學(xué)物質(zhì)是如此相似，以致于它們確實具有相同的毒性。” “這就是為什么監(jiān)管機構(gòu)通常不接受跨學(xué)科方法的原因。”

在案例研究中，項目團隊調(diào)查了密切相關(guān)的物質(zhì)組，并收集了完整的體外和計算機模擬數(shù)據(jù)?；谶@些研究的力量，他們能夠證明替代方法完全能夠確定與結(jié)構(gòu)相關(guān)的材料的毒性。

與監(jiān)管機構(gòu)協(xié)商

EU-ToxRisk項目不僅涉及大學(xué)，研究機構(gòu)和公司，還涉及監(jiān)管機構(gòu)。要使這些新的綜合測試策略取得成功，與監(jiān)管機構(gòu)工作的毒理學(xué)家進行密切咨詢至關(guān)重要。因為只有和批準(zhǔn)了這些新近開發(fā)的評估毒性的程序，才可以替代動物測試。