Технології для заміни тестування на тваринах майже готові

Змінити усталені звички може виявитися найскладнішим інженерним завданням.

Сімнадцять років тому клітинний біолог Дональд Інґбер і його колеги з Інституту біологічно натхненної інженерії Вісса при Гарвардському університеті подали до журналу Science статтю про модель людської легені. Пристрій був меншим за USB-флешку: прозора полімерна пластина містила вузькі канали, вистелені клітинами, подібними до тих, що утворюють стінки легеневих альвеол і кровоносних судин. Коли повітря прокачували крізь порожнисті камери поруч із каналами, пристрій ритмічно розширювався і стискався — «дихав».

Такий рух став значним поступом порівняно з попередніми моделями легень. Зазвичай це були статичні культури легеневої тканини, які не відтворювали рухів, важливих для роботи органа. Під дією запальних білків і бактерій штучна легеня Інґбера реагувала подібно до живої. А експерименти з наночастинками кремнезему, якими моделювали вплив наддрібних частинок, показали, що рух впливає на те, як тканини їх поглинають.

Це була переконлива демонстрація принципу роботи системи, яку можна використовувати для тестування ліків та інших хімічних речовин — як доповнення або навіть альтернативу дослідам на культурах тканин і тваринах. Та редактори Science поставилися до роботи обережно: відхилили статтю й запропонували команді Інґбера провести ті самі тести на мишах.

Ця вимога не була безпідставною: модель легень Гарвардської команди була новою, а порівняння її результатів із даними на мишах допомогло б перевірити її надійність. Команда провела запропоновані експерименти й повторно подала дослідження. У 2010 році його опублікували. Відтоді на статтю послалися майже 5400 інших наукових праць. Водночас цей випадок показав, наскільки тваринні моделі стали стандартом сучасних біомедичних досліджень.

Історія, яку розповіла Ілка Машмаєр, дослідниця трансляційної токсикології та керівниця німецької біотехнологічної компанії TissUse, свідчить, наскільки ситуація змінилася. Компанія спеціалізується на створенні систем «орган-на-чипі» — так називають пристрої на кшталт моделі легень Інґбера — для фармацевтичних досліджень. Кілька місяців тому фармацевтична компанія звернулася до TissUse після того, як Управління з контролю за якістю харчових продуктів і медикаментів США (FDA) не дозволило їй розпочати клінічне випробування нового препарату. Компанія надала дані з дослідів на тваринах, але FDA вимагало результати, отримані на системах «орган-на-чипі» або за допомогою подібної альтернативи. Вимоги ніби пройшли повне коло.

Легеня, що дихає, на чипі

Легеневий чип відтворює межу між альвеолою та кровоносною судиною: людські клітини легень і ендотелію ростуть по різні боки пористої мембрани. Вакуумні канали ритмічно розтягують і розслаблюють тканину, імітуючи дихання та відтворюючи механічні сили, які можуть впливати на реакцію клітин легень на різні речовини. В одному експерименті дослідники додали бактерії в повітряний канал, а білі кров’яні клітини — у канал із кров’ю. Імунні клітини перетнули мембрану й поглинули бактерії, відтворивши запальну реакцію.

За словами Машмаєр, подібні випадки поки рідкісні, але траплятимуться дедалі частіше.

Протягом років розробили чимало альтернатив експериментам на тваринах. Їх об’єднують під назвою NAMs — залежно від того, кого запитати, це скорочення означає «нові методології», «нові альтернативні методи» або «методи без використання тварин». Більшість NAMs ще не пройшла ретельної перевірки, однак перші дослідження свідчать про їхній потенціал.

Що складнішими стають NAMs, то менше дискусія про їхнє впровадження зосереджується на технічних характеристиках і то більше — на практичних кроках, потрібних для реалізації їхнього потенціалу. Валідація NAMs — стандартизація систем і пряме порівняння з дослідами на тваринах — є масштабним викликом. До того ж недостатньо просто перевершити тваринні моделі. Для впровадження NAMs потрібні зміни в політиці, навчанні та науковій культурі.

«Цей перехід набагато складніший, ніж можна подумати. Йдеться радше про управління змінами, ніж про технології», — каже токсиколог Томас Гартунг, директор Центру альтернатив тестуванню на тваринах при Університеті Джонса Гопкінса.

Технології на заміну тестуванню на тваринах

Протягом десятиліть захисники тварин і багато науковців критикували моральність і практичну цінність експериментів на тваринах. За оцінками, 92 відсотки всіх препаратів, які доходять до клінічних випробувань у США, не потрапляють на ринок. Іноді причиною є бізнесові чинники, але часто препарати виявляються неефективними або небезпечними з причин, яких не передбачили досліди на тваринах. Для ліків від серцевих хвороб, раку та захворювань мозку частка невдач ще вища.

Ці дані самі по собі не доводять, що виною є залежність від дослідів на тваринах. Проблемою може бути й недосконалий дизайн досліджень, а також надзвичайна складність і неоднозначність хвороб. Однак тварини погано моделюють багато станів людини. Досліди можуть помилково свідчити про ефективність препарату або не виявити шкоди для людей, але можуть і хибно показати, що ліки неефективні чи небезпечні, хоча насправді вони могли б допомогти. Деякі дослідники вважають, що якби аспірин або парацетамол відкрили після запровадження сучасних вимог до тестування, від цих препаратів могли б відмовитися.

Розробники NAMs пішли значно далі за традиційні культури тканин. Серед нових технологій — органоїди, які точніше відтворюють структуру, склад і функції людських органів. Ще ближчими до людської фізіології є системи «орган-на-чипі»: окрім легень, на чипах моделюють мозок, серце, нирки й навіть плаценту. До десяти таких органів можна об’єднати в одну систему, яка має відтворювати багато аспектів фізіології людини — не ідеально, але краще, ніж це здатні зробити миша чи мавпа. Такі системи доповнюють комп’ютерні симуляції органів і організмів, а також інструменти штучного інтелекту. Вони аналізують дані, отримані іншими системами, і допомагають планувати наступні експерименти в циклі, що постійно вдосконалюється.

Попри зростання кількості досліджень і те, що деякі фармацевтичні компанії почали використовувати NAMs у своїй роботі, регуляторна система США, яка визначає правила розробки й тестування ліків, залишалася перешкодою для ширшого застосування цих методів. Тому прихильники NAMs привітали ухвалення наприкінці 2022 року закону FDA Modernization Act 2.0. Він прямо дозволив використовувати NAMs у доклінічних дослідженнях, обов’язкових перед випробуваннями нових препаратів на людях. Раніше правила вимагали тестування на тваринах; тепер з’явилася можливість застосовувати альтернативи. «Я не думала, що за свого життя побачу таке», — каже Машмаєр.

Негайний вплив цього рішення на лабораторну роботу був обмеженим, але воно стало передвісником подальших змін. У 2025 році FDA пообіцяло «зробити дослідження на тваринах винятком, а не нормою» під час оцінювання безпеки ліків. У вересні 2026 року відомство видало правило, яке, якщо набуде чинності, замінить у нормативних документах щодо розробки ліків згадки про «тести на тваринах» ширшим терміном «неклінічні тести». Так буде прямо вказано, що за потреби можна застосовувати валідовані альтернативи, зокрема системи з людськими клітинами, органи на чипах і комп’ютерні моделі.

Також у 2025 році Національні інститути здоров’я США — найбільший у світі державний фонд біомедичних досліджень — оголосили, що дослідники, які подають заявки на гранти для вивчення тваринних моделей, мають включати й дослідження без використання тварин, наприклад аналіз реальних даних або випробування NAMs. Європейська комісія та Велика Британія оголосили власні плани поступово відмовитися від тестування на тваринах, а Організація економічного співробітництва та розвитку оновила свої впливові настанови, щоб дозволити ширше використання NAMs.

На думку прихильників NAMs, ці зміни були необхідними: якщо регулятори не прийматимуть результати таких досліджень, стимулів до їхнього впровадження буде менше — особливо для науковців, які вже працюють із тваринами. Машмаєр каже, що серед клієнтів TissUse дедалі більше дослідників, чия робота раніше зосереджувалася на тваринних моделях. «За останній рік я бачу зміни. Тепер більше людей, які працюють із тваринними моделями, мають додавати й моделі in vitro», — каже вона. Цю тенденцію вона пов’язує передусім зі змінами в регулюванні. Інґбер називає їх «переломним моментом».

Як довести ефективність NAMs

Самого дозволу регуляторів використовувати NAMs недостатньо. Важливіше мати систему, яка визначає, як саме їх застосовувати. Насамперед потрібна валідація — процес, під час якого встановлюють, чи є методики й пристрої надійними. Прототип мозку на чипі, створений для моделювання рідкісного неврологічного захворювання, може добре працювати в лабораторії, де його розробили. Але для валідації він має давати результат і в реальних умовах.

«Можна читати про всі органи на чипах, які створюють в академічних лабораторіях, і це чудово. Але це не змінить їхнього впровадження FDA, бо однакові результати мають отримувати будь-де у світі. Це має бути комерційний продукт, виготовлений у великих кількостях і такий, що відповідає дуже точним критеріям ефективності», — каже Інґбер.

Наприклад, навіть незначні відмінності в гідрогелях, які використовують як каркас для тканин на чипах, можуть спричиняти помітно різні моделі росту.

Потрібно уніфікувати й робочі процеси та процедури. Наприклад, одна з перешкод для ширшого використання чипів із судинними пухлинами під час розробки методів лікування раку — різні показники, якими дослідницькі групи описують роботу й геометрію кровоносних судин. Щоб науковці могли порівнювати результати й співпрацювати на різних платформах, необхідно стандартизувати експериментальні настанови, робочі процеси, контрольні точки, показники та критерії звітності. Працівники лабораторії Інґбера навчають промислових дослідників користуватися чипами компанії Emulate, яку заснував Інґбер. Але навіть із наданими інструкціями користувачам потрібна допомога з тонкощами догляду за культурами стовбурових клітин.

Коли NAM готова до комерційного використання, а дослідники вміють із нею працювати, залишається найважливіше запитання: чи дає вона клінічну користь? Чип для рідкісного захворювання може бути надійним, але чи справді важливі біомаркери, які він вимірює? А якщо так, чи здатні алгоритми, що переносять результати з чипа на прогноз дії препарату в організмі, точно передбачати цей ефект?

На деякі з цих запитань уже є відповіді. Наприклад, система «печінка-на-чипі» від Emulate правильно виявила токсичність для людської печінки приблизно у семи з восьми препаратів, які безпечно пройшли випробування на тваринах. Подібне дослідження провели науковці Оксфордського університету та Janssen Pharmaceutica, згодом перейменованої на Johnson & Johnson Innovative Medicine. Їхні комп’ютерні симуляції клітин людського серця виявили сполуки, що спричиняли небезпечний тип аритмії, з точністю 89 відсотків. Для дослідів на тваринах цей показник становив 75 відсотків.

Однак такі дослідження складні й дорогі. Для роботи Emulate знадобилося 870 чипів і праця, еквівалентна зайнятості 16 штатних працівників упродовж 16 тижнів, — ресурси, недоступні більшості лабораторій. Щоб отримати дозвіл регулятора використовувати чип для прогнозування дії великомолекулярних препаратів, а не лише тих малих молекул, які перевіряли в дослідженні, потрібно було б провести ще одне аналогічне випробування саме для такого застосування. Подібні дослідження, по суті, треба проводити для кожної комерційно доступної NAM і кожного випадку її використання — це масштабне завдання.

«Це проблема. На це йде забагато часу й грошей, а малі компанії не можуть собі цього дозволити», — каже Кеті Арчибальд, засновниця британської організації Safer Medicines Trust, яка вважає тварин поганими моделями людської біології.

Інґбер вважає, що науковцям з університетів варто активніше співпрацювати з промисловими дослідниками над NAMs, а урядам — фінансувати такі проєкти. Він та інші прихильники NAMs наголошують і на потребі мати доступ до необхідних даних. Без результатів доклінічних досліджень на тваринах і клінічних випробувань на людях їх важко порівнювати, але значна частина цих даних є власністю компаній. На думку прихильників NAMs, фармацевтичні компанії та регулятори мають ділитися ними; FDA закликало створити відкриту базу даних про токсичність ліків. Гартунг із Джонса Гопкінса також пропонує проводити нові досліди на тваринах паралельно з NAMs, щоб безпосередньо зіставляти результати.

На думку Крістіана Мааса, обчислювального біолога німецької біотехнологічної компанії ESQlabs, NAMs давно час випробувати в прямому порівнянні з тваринними моделями. Його компанія створює «цифрових двійників»: дані з систем «орган-на-чипі» використовують для симуляцій реакції цілого людського організму на ліки та розвитку хвороб.

«Мені подобається те, що ми робимо. Але ми ще не надали доказів, що працюємо краще або принаймні не гірше за тваринні моделі», — каже Маас про свою компанію й усю галузь.

Маас вважає прямі порівняння необхідними для якісної науки. Якщо NAM не перевершує тваринну модель або найкраще працює як доповнення, а не заміна, про це потрібно знати. Він також вважає, що такі дослідження могли б переконати скептиків. Маас згадує появу iPhone: тоді люди вперше побачили, наскільки добре може працювати телефон без кнопок.

«Це був момент прозріння. Але для NAMs такого моменту досі не настало», — каже він.

Зміна наукових звичок

Навіть після прямих порівнянь і відповідних змін у правилах упровадження альтернатив може відбуватися повільно. У середині 1990-х дослідники розробили й валідували тест активації моноцитів — аналіз клітин людської крові, який дає змогу прогнозувати імунну реакцію. Він мав замінити пірогенний тест на кролях: під час нього речовину вводять у вухо кролика й стежать за температурою тіла, вимірюючи її ректально. Та Європейська фармакопея — офіційні загальноєвропейські стандарти для таких тестів — визнала тест активації моноцитів заміною лише у 2010 році. У світі й досі широко використовують кроликів для цього тесту.

Повільні зміни частково пояснюються тим, що оновлення рекомендацій, де згадувалися тести на тваринах, відставали. Впливала й інерція наукової культури та інституцій.

«Формальна вимога може зникнути, але неформальне очікування залишається», — каже ветеринарна науковиця Катрін Германн, колега Гартунга з Центру альтернатив тестуванню на тваринах.

Регулятори, грантові комісії, рецензенти, редактори журналів — люди, які забезпечують роботу науки, — досі часто очікують побачити дані з дослідів на тваринах і погано знають NAMs.

Германн керує опитуванням молодих науковців, які працюють із NAMs або намагаються перейти на ці методи.

«Ми постійно чуємо, що грантодавці вважають заявки лише з NAMs ризикованими; для переконливості від дослідників вимагають “додати експеримент на тваринах”; доступ до інфраструктури NAMs обмежений, а кар’єрні перспективи стають невизначеними, якщо відмовитися від усталених тваринних моделей», — каже вона.

Тваринні моделі вбудовані в бази даних, навчальні програми й саму культуру досліджень. Науковці, які працюють із тваринами, можуть не хотіти змін; їхня професійна ідентичність пов’язана з такими дослідженнями, а за практичних причин вони витратили роки на опанування відповідних методів. Токсиколог, який десятиліттями працював із пацюками, може з недовірою поставитися до незнайомих шматочків полімеру й стовбурових клітин — особливо якщо від вибору залежать здоров’я людей або мільйони доларів. Академічний науковець, чия кар’єра побудована на тваринних моделях, також може не вітати NAMs: перехід здатен позбавити роботи членів лабораторії, чиї навички більше не будуть потрібні.

«Я розумію, чому людям важко на це наважитися», — каже Інґбер.

Прихильники NAMs наголошують на важливості освіти й навчання. Національні інститути здоров’я США та FDA вже пропонують ресурси для дослідників, які цікавляться NAMs, як і їхні відповідники в інших країнах, що впроваджують ці технології. Германн допомагає проводити вебінари, на яких науковці й регулятори вчаться застосовувати та оцінювати NAMs. Курси Гартунга на платформі онлайн-навчання Coursera пройшли близько 12 тисяч студентів.

«Ці люди відкриватимуть власні лабораторії, працюватимуть у промисловості й замінять старше покоління», — каже Джозеф Ву, директор Інституту серцево-судинних захворювань Стенфордського університету.

Ву також є співзасновником Greenstone Biosciences — компанії, яка використовує тканини людини, отримані зі стовбурових клітин, і штучний інтелект для моделювання хвороб та прогнозування реакції на ліки. Він скористався цією посадою, щоб знайомити дослідників із NAMs, і переконав керівництво компанії вільно ділитися великою бібліотекою ліній стовбурових клітин Greenstone з усіма науковцями, які хочуть їх використовувати.

«Я справді вважаю, що люди мають розуміти, як працює ця платформа. Зрештою, ми просто намагаємося розвивати науку», — каже Ву.

З часом — за наявності фінансування, стимулів, навчання, освіти, співпраці та зміни поколінь — культура досліджень у сфері розробки й перевірки безпеки ліків може змінитися. Чи застосовуватимуть NAMs в інших галузях науки, поки невідомо. На ранні етапи розробки ліків і регуляторне тестування припадає приблизно 30 відсотків тварин, яких використовують в експериментах; решту залучають до фундаментальних біологічних досліджень. Замінити їх складніше, але, можливо, це вдасться: Інґбер наводить приклади висновків про запальні захворювання кишківника, передчасні пологи й лікування вірусних інфекцій, отриманих завдяки системам «орган-на-чипі», але недосяжних у дослідах на тваринах. Гартунг називає впровадження NAMs у токсикології «маяком», який може вказати шлях іншим напрямам досліджень.

«Раптом усі греблі відчинилися», — каже Гартунг.

Нагадаємо, cоціальна інженерія ґрунтується на маніпулюванні довірою та вразливостями людей, щоб отримати конфіденційні дані або спонукати їх до певних дій. Серед її методів — фішингові повідомлення, телефонне шахрайство й підроблення ідентифікаційних даних.