Все чаще искусственный интеллект, мини-легкие на чипе и многое другое заменяют животных в биологических исследованиях
Животные уже давно являются важной частью науки. Лягушки помогли исследователям понять, как взаимодействуют клетки. Исследования на свиньях помогли создать компьютерную томографию, которая в настоящее время является распространенным диагностическим инструментом. Кошки, лягушки и птицы использовались для изучения того, как передаются нервные сигналы.
Только в Соединенных Штатах исследователи используют миллионы животных. Многие из этих существ используются в так называемой фундаментальной науке — для изучения того, как устроена жизнь. Животные также помогают проверять безопасность пищевых продуктов и лекарств. Например, ученые тестируют лекарства на животных, прежде чем давать их людям. Тестирование на животных также помогает убедиться в безопасности многих промышленных продуктов, таких как шампунь.
Почему животные часто «заменяют» людей
Но животные — не всегда лучший способ изучить, как они будут взаимодействовать с людьми. Это побуждает многих ученых искать альтернативные варианты.
Одной из причин является забота о животных. Кроме того, подопытные животные стоят дорого, их выращивание может занять много времени, а уход за ними требует больших усилий. Но есть и научные причины для поиска альтернативных вариантов.
Животные не являются идеальными образцами для людей. Или, как выразилась Николь Кляйнштрауэр, “Мы не 150-килограммовые крысы”. Кляйнштрауэр работает в Национальном институте здравоохранения (NIH). Это государственное учреждение финансирует множество медицинских исследований. Она руководит программой по поиску альтернатив животным для научных исследований.Животные, отмечает она, часто реагируют на лекарства и другие вещества совершенно иначе, чем люди. Например, аспирин безопасен для большинства взрослых. Он снимает боль. А у некоторых людей он может помочь предотвратить сердечные приступы. Но этот препарат может быть токсичным для крыс. С другими препаратами все наоборот: они могут безопасно работать на лабораторных животных, но не на людях.
По некоторым оценкам, более девяти из каждых 10 лекарств от рака, которые показали себя многообещающими на животных, не помогли людям.Группа Клейнштреуэра разрабатывает новые достижения, основанные на биологии человека, а не других животных. Есть надежда, что такой подход может не только улучшить результаты исследований, но и ускорить их проведение с меньшими затратами.
В 2022 году Конгресс США принял закон, который поддерживает отказ от использования животных в научных исследованиях. В нем было отменено правило, согласно которому лекарства для человека сначала должны быть протестированы на животных. Сегодня перед исследователями стоит задача найти наилучшие методы, которые могут не включать лабораторных животных.10 апреля Управление по контролю за продуктами и лекарствами США объявило, что оно заменит тестирование некоторых лекарств на животных.
Ученые прилагают все усилия, чтобы заботиться о своих лабораторных животных для исследований. Многие предпочитают использовать меньшее количество из них — или нет животные — в их работе.
<П>С 1959 года, то, что известно как “три Р” были направлены для исследования биологии. Уильям Рассел и Рекс Берч поставили перед собой эту цель.
Первая из них, «сокращение», требует от ученых использовать как можно меньше животных. Уточнение предписывает им планировать эксперименты таким образом, чтобы они наносили как можно меньше вреда лабораторным животным. В «Замене» говорится, что, когда это возможно, исследователи должны проводить свои исследования, используя не только животных.
Шестьдесят лет назад было очень трудно применить эти три правила на практике. Но ситуация меняется. От мини-органов на чипе до искусственного интеллекта, который может имитировать биологию крыс, ученые разрабатывают способы продвижения исследований, выходящих за рамки лабораторных животных.
Применение искусственного интеллекта в работе
В некоторых исследованиях достижения в области искусственного интеллекта, или ИИ, помогли уменьшить потребность в животных. Это не означает, что ИИ занимается наукой. Вместо этого ученые могут использовать ИИ для ускорения или замены этапов своей работы. Кляйнштрауэр описывает это как “дополненный ИИ”.
Например, исследователям может потребоваться просмотреть научные статьи для получения подробной информации о предыдущих исследованиях. Модели с искусственным интеллектом обычно могут обрабатывать большие объемы информации быстрее, чем мы. Или они могут выполнять поиск по базам данных химических веществ, чтобы узнать, как эти соединения могут взаимодействовать друг с другом или с клетками человека.Основываясь на таких анализах, ИИ может предсказать, как люди отреагируют на лекарство или продукт. Это может избавить от необходимости тестировать соединения, которые вряд ли будут полезны или могут вызвать проблемы.
В одном исследовании модель искусственного интеллекта провела скрининг 190 000 химических веществ для оценки токсичности. Исследователи сообщили, что точность составила 87 процентов. И результаты оказались лучше, чем при повторном тестировании на животных.
Искусственный интеллект может быть использован во многом таким же образом для создания вакцин, говорит Томас Хартунг. Он руководит Центром по альтернативам тестированию на животных. Это в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд.
Ученые говорят: Машинное обучение
Возьмите вакцину против COVID-19. Обычно на создание и тестирование новой вакцины уходит от 10 до 15 лет. Но из-за бушующей пандемии исследователи не хотели ждать так долго. Поэтому исследователи обратились за помощью к ИИ.
Например, ученые знали, что эпитоп — частичка какого—то чужеродного вещества, такого как микроб, — может помочь организму распознать вирус COVID-19. Они просто не знали, какие именно эпитопы. Поэтому исследователи попросили модель машинного обучения просмотреть несколько баз данных. В совокупности эти базы данных содержали сотни тысяч эпитопов.
Этот ИИ оценивал каждый эпитоп на основе правил, установленных исследователями. Он отбрасывал все, что не соответствовало их критериям. Эти правила включали в себя такие моменты, как то, вызовет ли соединение иммунный ответ.
Программа машинного обучения быстро исключила 19 соединений из каждых 20. Так драматичносократилось количество тестов на животных, что позволило сэкономить много времени и денег.
В итоге исследователи разработали две вакцины против COVID-19 менее чем за один год. И для достижения этой цели, добавляет Хартунг, потребовалось относительно небольшое количество испытаний на животных.Искусственный интеллект может даже заменить некоторых лабораторных животных.В одном исследовании, проведенном в 2023 году, исследователи хотели предсказать, могут ли лекарства вызывать побочные эффекты, такие как повреждение печени. Они использовали искусственный интеллект, который был обучен на данных предыдущих исследований лекарств, в которых участвовало более 8000 крыс. Они также предоставили этому ИИ данные о химической структуре лекарств.Затем исследователи попросили ИИ предсказать, как крысы отреагируют на три похожих новых препарата. ИИ не нужны были живые организмы, только 100 000 виртуальных крыс. И его прогнозы почти полностью совпали с ответами, полученными исследователями в ходе тестов с настоящими крысами. В будущем искусственный интеллект может быть использован для прогнозирования побочных эффектов лекарств у людей или выбора наилучшей дозы для применения.
<загрузка iframe="ленивый" заголовок="Что такое технология "орган на чипе"?" width="500" height="281" src="https://www.youtube.com/embed/8tlHd5pYHOY?feature=встроено" frameborder="0" allow="акселерометр; автозапуск; запись в буфер обмена; зашифрованный носитель; гироскоп; картинка в картинке; веб-доступ" referrerpolicy="строгий источник при перекрестном источнике" allowfullscreen>
Крошечные органы
Некоторые тесты необязательно проводить на целом животном, достаточно одного органа или типа ткани. В прошлом эти ткани могли быть вырезаны у животных. Сегодня некоторые ученые вместо этого создают крошечные “органы на чипе”.
Они немного напоминают компьютерные чипы. Но вместо электроники в них содержится живая ткань. Ученые могут печатать клетки в 3D-формате прямо на чипе слоями или другими способами. Эти крошечные чипы затем имитируют реакцию органов или других тканей.
Это одно из самых захватывающих достижений в этой области, говорит Кляйнштреуэр. “У вас может быть печень на чипе, легкое на чипе или даже мини-мозг”, — говорит она. Одно большое преимущество: они могут быть изготовлены из клеток людей, а не из тканей лабораторных животных.
<загрузка изображения="ленивое" декодирование="асинхронное" width="680" height="241" src="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/680_animal_research_blood_flow_chips.png " alt="пластиковые пластины, привинченные друг к другу, с кровью, поступающей внутрь и выходящей наружу по крошечным трубочкам" class="wp-image-3155666" srcset="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/680_animal_research_blood_flow_chips.png 680 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/680_animal_research_blood_flow_chips-330x117.png 330 Вт" размеры="авто, (максимальная ширина: 680 пикселей) 100 Вт, 680 пикселей" />
Y. Шрайк Чжан создает органы на чипе в Гарвардской медицинской школе в Кембридже, штат Массачусетс. Он может комбинировать несколько типов клеток. Таким образом, они могут имитировать кровоток или другие функции, влияющие на ткани организма. По его словам, эти крошечные органы могут даже имитировать движения. Легкие на чипе двигаются внутрь и наружу. Сердца на чипе будут биться. Такие чипы могут быть размером всего с небольшую стопку игральных карт.
Ученые разрабатывают эти чипы, чтобы максимально имитировать человеческие органы, говорит Чжан. Тем не менее, это всего лишь модель для реального применения. И все же, что удивительно, по его словам, “во многих случаях они действительно могут превзойти модели, созданные на животных”.
Например, они могут лучше подходить для тестирования безопасности лекарств или продуктов. Люди могут обрабатывать химические вещества иначе, чем лабораторные животные, объясняет он. Таким образом, тесты с использованием человеческих тканей, таких как органы на чипе, могут дать нам более точную оценку рисков.Более того, животные не болеют некоторыми человеческими заболеваниями, такими как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Это затрудняет изучение этих состояний и любых методов их лечения на животных.
В начале недавней пандемии крупная исследовательская группа использовала модели с чипами легких для поиска лекарств для борьбы с COVID. Чипы органов показали те же результаты, что и тесты, проведенные на хомяках. Это говорит о том, что такие чипы могут быть полезны для быстрого поиска методов лечения во время будущих пандемий — и без использования животных.
В настоящее время ученые разрабатывают способы объединения этих мини-органов. Это могло бы помочь им изучить, как изменения в одном органе могут влиять на другие, подобно изменениям в организме. “Мы наблюдаем очень быстрый прогресс в этом направлении”, — говорит Кляйнштрауэр.
Один из способов объединить эти имитаторы органов — поместить их все на один чип. “Вы можете вырезать камеры — небольшие пространства, в которые органы могут поместиться на одном чипе, — с соединениями между пространствами”, — объясняет Чжан. Или, по его словам, у вас может быть каждый орган на отдельном чипе с соединяющими их трубками.
Когда-нибудь, предсказывает Кляйнштреуэр, у нас будет “тело на кристалле”И это тело может быть даже точной копией твоего. “Точно так же, как крыса не является идеальной моделью для человека, один человек не всегда является идеальной моделью для другого человека”, — говорит она. Вот почему ученые работают над персонализацией этих чипов.
Пояснение: Что такое стволовая клетка?
Для этого технология должна направить развитие клеток вспять. Такое “перепрограммирование” может привести к образованию стволовых клеток — клеток, которые могут расти в ткани любого типа.Такие перепрограммированные клетки по-прежнему будут содержать ваши уникальные гены. Эти стволовые клетки затем можно будет использовать для создания сложной трехмерной модели выбранной ткани. Это позволило бы ученым увидеть, как конкретное лекарство или другая терапия могут воздействовать на конкретного человека — на вас.
Кожа и кости
Лиаму Гроверу всегда было трудно проводить исследования на животных. Гровер изучает кожу. Только у одного животного кожа похожа на нашу. “Это свинья”, — отмечает исследователь медицинских технологий из Бирмингемского университета в Англии.
Тем не менее, даже свиньи не являются отличными моделями для болезни, которую он изучает. Это называется БЭ, сокращение от буллезного эпидермолиза (Ep-ee-der-moh-LY-sis Buh-LOW-suh). У людей с БЭ отсутствует молекула, которая склеивает слои кожи. Поэтому даже при легких повреждениях кожи у них появляются чрезвычайно болезненные волдыри и рубцы.Люди с тяжелой формой лихорадки Эбола также могут умереть к двадцати годам, говорит Гровер.Кожа свиней имеет несколько иную структуру, чем у нас. Поэтому Гровер и его команда решили создать более совершенную модель для своих исследований.
Это похоже на кожу на чипе, только гораздо большего размера. Это не только позволяет избежать использования свиней, но и более точно имитирует кусочек нашей кожи. “Изначально мы делали это для замены кожи”, — говорит он. “Другие люди теперь используют его для изучения хронических кожных ран, таких как язвы”.
<загрузка изображения="ленивая" расшифровка="асинхронная" width="1030" height="687" src="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig.jpg " alt="фотография симпатичного поросенка на улице под солнечное небо " class="wp-image-3155656" srcset="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig.jpg 1030 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig-574x383.jpg 574 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig-675x450.jpg 675 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig-279x186.jpg 279 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig-768x512.jpg 768 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/06/1030_animal_research_pig-870x580.jpg 870 Вт" размеры="авто", (максимальная ширина: 1030 пикселей) 100 Вт, 1030 пикселей" />
Гровер создал миниатюрную модель тоже из кости. Он лучше имитирует настоящие кости, чем предыдущие лабораторные модели. Он может использовать его для выявления лекарств, которые могут нанести вред костям. Он также использует его для исследования того, как невесомость — как и пребывание в космосе — влияет на кости.В прошлом эта работа проводилась с использованием животных, таких как обезьяны и грызуны. Но когда он поместил свою модель в реактор НАСА с нулевой гравитацией, она показала тот же тип потери костной массы, который ученые наблюдали в предыдущих исследованиях на животных. Это говорит о том, что эта новая модель может заменить животных в будущих экспериментах.
Гровер видит в ней и другие потенциальные применения — например, для изучения того, как организм восстанавливает сломанные кости.
У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!
Задайте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске Science News Исследует
Как и другие органы на чипе, его модели не являютсяэто не идеальная имитация настоящей вещи. Во-первых, они все еще должны быть связаны с другими органами. Почки, например, оказывают огромное влияние на костную ткань, отмечает Гровер. “Пока мы не сможем культивировать почку в соответствии с моделью кости, — говорит он, — мы не сможем полностью понять эту связь”.
Сможем ли мы когда-нибудь полностью отказаться от исследований на животных? По крайней мере, не в ближайшей перспективе, считает Кляйнштройер. Тем не менее, по ее словам, мы стремимся к будущему, в котором сможем значительно сократить их количество.
Национальный институт здравоохранения, где она работает, уделяет этому приоритетное внимание. Кляйнштреуэр помогла спланировать программу, на которую в течение следующих пяти-десяти лет будет потрачено несколько миллионов долларов для финансирования дополнительных исследований по поиску альтернатив лабораторным животным.
По ее словам, эти изменения позволят создать более совершенные системы, основанные на биологии человека. И это, добавляет она, “просто лучшая наука”.
