На протяжении столетий животные помогали ученым раскрывать тайны живых организмов. Благодаря опытам на мышах, собаках, обезьянах и других животных исследователи изучали работу мозга и внутренних органов, механизмы развития заболеваний, воздействие различных веществ и условий на живые существа… Сегодня, в новой гуманитарной парадигме, наука все активнее ищет альтернативы экспериментам с участием животных, но сможет ли она когда-нибудь полностью от них отказаться?
Что было «до мышей» и как лекарства и медицинские технологии тестировали раньше
Если отмотать историю на пару столетий назад, выяснится удивительная и жутковатая вещь: долгое время главным «лабораторным животным» был сам человек. Врачи прошлых эпох действовали в условиях абсолютного информационного вакуума. Не зная законов генетики, иммунологии и биохимии они проверяли гипотезы напрямую на пациентах, а часто — и на самих себе. И немалое количество таких экспериментов заканчивалось плачевно.
Классический пример — история переливания крови. В XVII веке французский врач Жан-Батист Дени (1643-1704) переливал кровь ягнят обессиленным больным, искренне полагая, что кротость животного передастся пациенту вместе с его жидкой тканью: о группах крови и тканевой совместимости тогда никто и не слышал.
Подобным образом веками тестировались и другие врачебные, в том числе и хирургические техники, и медикаменты. В 1796 году английский врач Эдвард Дженнер (1749-1823) провел один из первых опытов вакцинации против натуральной оспы, привив восьмилетнему Джеймсу Фиппсу материал из пузырьков коровьей оспы, а затем подвергнув его заражению натуральной оспой. Правда в этот раз все закончилось хорошо и для мальчика и для человечества. Почти столетие спустя, в 1885 году, Луи Пастер (1822-1895) впервые применил разработанную им вакцину против бешенства на девятилетнем Жозефе Мейстере, которого покусала бешеная собака. И тем самым спас жизнь ребенка. Хотя подобные эксперименты на людях проводились без современных стандартов оценки безопасности и этического контроля, оба случая стали важнейшими вехами в истории медицины. Однако по мере развития патофизиологии и микробиологии научное сообщество пришло к осознанию: проверять не опробованные идеи сразу на человеке — не лучшее решение.
«Нюрнбергский кодекс»: как испытания на животных стали обязательным этапом медицинских исследований
После Второй мировой войны отношение к медицинским экспериментам кардинально изменилось. В 1947 году, по итогам Нюрнбергского процесса над нацистскими врачами, проводившими жестокие опыты на узниках концлагерей, был сформулирован Нюрнбергский кодекс — десять этических принципов проведения исследований с участием человека.
Его третий пункт предусматривал, что эксперименты на людях должны опираться на результаты исследований на животных и знания об изучаемом заболевании.
Впоследствии доклинические испытания стали неотъемлемой частью разработки лекарств. Прежде чем новый препарат попадет к добровольцам, исследователи должны получить достаточные данные о его потенциальной токсичности и других рисках. Долгое время основным способом такой проверки оставались эксперименты на животных, чаще на двух видах млекопитающих — грызунах и не грызунах.
Заметим, что к тому моменту животные давно стали участниками не только медицинских и фармакологических экспериментов. Их также использовали в физиологии, анатомии, биологии, психологии и токсикологии — для изучения работы органов, механизмов поведения, наследственности и воздействия различных химических веществ на организм.
Какие научные открытия не могли бы состояться без участия животных?
Братья меньшие помогли нам проникнуть не только в тайны медицины и фармакологии, их вклад в фундаментальную науку гораздо шире.
- Лягушки и изучение электричества.
Если оглянуться в XVIII век, мы увидим, что само понимание природы нервного импульса возникло благодаря обычным амфибиям. Итальянский врач и анатом Луиджи Гальвани (1737-1798), экспериментируя с препарированными лягушками, заметил, что мышцы мертвой амфибии сокращаются, если к ним прикоснуться скальпелем из двух разных металлов или подвести внешний электрический ток. Гальвани назвал это явление «животным электричеством». Именно эти опыты легли в основу электрофизиологии — раздела биологии, изучающего электрические явления в живых тканях. Без препарированной лягушки у нас сегодня не было бы ни электрокардиограмм, ни электроэнцефалограмм, ни понимания того, как головной мозг отправляет команды мышцам с помощью микротоков.
- «Собаки Ивана Павлова» и новые знания в области физиологии.
Иван Петрович Павлов (1849-1936), получивший в 1904 году Нобелевскую премию, построил свои фундаментальные открытия на исследованиях пищеварительной системы и высшей нервной деятельности собак. До Павлова физиологи представляли себе работу внутренних органов довольно примитивно, не понимая, как нервная система управляет секрецией желез.
Павлов разработал филигранные хирургические методики — он выводил протоки слюнных и желудочных желез собак наружу, формируя фистулы (прим. ред.: искусственные отверстия, соединяющие внутренний орган с внешней средой). Это позволяло в режиме реального времени собирать чистый желудочный сок или слюну и измерять их количество в зависимости от раздражителей.
Благодаря собакам наука узнала о существовании условных и безусловных рефлексов. Павлов доказал, что нервная система способна связывать нейтральные внешние сигналы, например звук звонка или свет лампочки с жизненно важными функциями организма. Это открытие стало базой для всей современной психологии, психиатрии, нейробиологии и теории обучения.
- Первые космонавты Лайка, Белка и Стрелка.
Когда в середине XX века человечество стояло на пороге выхода в космическое пространство, ученые понятия не имели, способен ли живой организм выжить за пределами атмосферы. Существовали опасения, что в невесомости сердце не сможет перекачивать кровь, глотательный рефлекс станет невозможен, а космическая радиация и колоссальные перегрузки при старте ракеты мгновенно убьют мозг.
Первыми разведчиками космоса стали животные. Собака Лайка в 1957 году доказала, что живое существо способно перенести выведение на орбиту. К сожалению, из-за конструктивных ошибок корабля «Спутник-2» и отсутствия системы возврата она погибла от перегрева через несколько часов после старта, но ее жертва показала: в условиях невесомости жить можно. Позже, в 1960 году, Белка и Стрелка совершили успешный суточный полет и благополучно вернулись на Землю, дав ученым исчерпывающие данные о работе сердечно-сосудистой, дыхательной и выделительной систем в космосе.
Американская космическая программа пошла по пути использования шимпанзе и макак-резусов, так как анатомия и физиология приматов максимально близки к человеческой. Обезьян учили нажимать на рычаги в ответ на световые сигналы прямо во время полета. Это позволило доказательно подтвердить: перегрузки и невесомость не разрушают координацию движений и высшие когнитивные функции. Только после того, как датчики на теле животных показали относительную безопасность условий, в космос отправился человек.
- Киборгизация и нейроинтерфейсы: опыты с чипами на свиньях и обезьянах.
Перенесемся в сегодняшний день. Передовой край медицины и инженерии — это создание нейроинтерфейсов, или систем «мозг-компьютер». Их цель — научить человеческий мозг обмениваться сигналами с внешними электронными устройствами напрямую, минуя поврежденные нервы или мышцы. Это шанс для парализованных людей снова ходить, управляя экзоскелетом силой мысли, или для слепых — видеть с помощью цифровой камеры, передающей сигнал прямо в зрительную кору.
Но как проверить, считывает ли электронный чип сигналы нейронов корректно? Снова на помощь приходят животные. Компания Neuralink Илона Маска и другие научные группы по всему миру отрабатывают эти технологии на свиньях и обезьянах.
Свиньи идеальны для проверки механической надежности и безопасности имплантов: их черепные кости, толщина кожи и параметры кровотока весьма похожи на человеческие.
Обезьяны же нужны для более тонких задач. Приматов учат играть в простые видеоигры, например в «Понг», сначала используя джойстик, а затем джойстик отключают, и обезьяна управляет курсором на экране исключительно силой мысли — благодаря тому, что микрочип расшифровывает паттерны электрической активности в ее двигательной коре. Без этих испытаний на животных мы никогда не смогли бы перейти к клиническим операциям на парализованных людях-добровольцах.
- Фундаментальная биология и поведение: моделирование стресса, депрессии, механизмов памяти и обучения на грызунах.
Как изучить заболевания, у которых нет видимого бактериального или вирусологического возбудителя — например, клиническую депрессию, тревожные расстройства или посттравматический синдром? Ведь нельзя просто рассмотреть психоз в микроскоп. В этих случаях ученые создают поведенческие модели на грызунах. Например, чтобы понять, как работает стресс и как с ним борются антидепрессанты, используется «тест неизбегаемого плавания» или модель «социального поражения», где слабую мышь помещают в одну клетку с сильной и агрессивной. У грызунов развиваются симптомы, удивительно похожие на человеческую депрессию: ангедония (прим. ред.: потеря способности получать удовольствие — мышь отказывается от сладкой воды, которую раньше любила), снижение двигательной активности, нарушения сна и повышенная тревожность.
Изучая срезы мозга таких мышей, исследователи видят, что при депрессии падает уровень нейромедиаторов: серотонина, дофамина, норадреналина и тормозится нейрогенез — процесс образования новых нервных клеток в гиппокампе (прим. ред.: структуре мозга, отвечающей за память и эмоции). Именно благодаря этим экспериментам были созданы современные антидепрессанты, которые спасают миллионы людей от тяжелейших ментальных расстройств.
- Генетическое конструирование: создание «трансгенных» животных с человеческими генами для моделирования неизлечимых болезней.
Обычная дикая мышь не болеет болезнью Альцгеймера, не страдает от муковисцидоза и не подвержена многим человеческим видам рака. Чтобы изучать эти заболевания, молекулярные биологи научились создавать трансгенных животных — организмы, в ДНК которых искусственно встроен чужеродный ген: обычно человеческий или, наоборот, какой-то родной ген «выключен».
Представьте себе мышь, в геном которой встроили человеческий ген, отвечающий за выработку патологического белка бета-амилоида. По мере взросления в мозге такой мыши начинают формироваться амилоидные бляшки — точно такие же, какие разрушают память и мышление у пациентов с болезнью Альцгеймера.
Обманчивое сходство: биологическая изнанка испытаний на животных
На первый взгляд человек и лабораторная мышь не имеют ничего общего. Но если заглянуть на уровень фундаментальной биологии, картина резко меняется. ДНК человека и лабораторной мыши совпадает примерно на 85%. Все основные биохимические процессы — синтез белка, деление клеток, передача нервного импульса, строение клеточных мембран — у нас практически идентичны. Мыши, как и мы, являются млекопитающими: у них четырехкамерное сердце, схожее строение внутренних органов и аналогичные гормональные цепочки.
Если взять свинью, то ее сердечно-сосудистая система и строение желудочно-кишечного тракта похожи на человеческие. Сердечные клапаны свиней уже много лет успешно используют в качестве биопротезов для трансплантации людям.
А приматы, например шимпанзе или макаки-резусы, разделяют с нами от 93% до 98% генетического кода. У них схожая архитектура головного мозга, сложная социальная жизнь, развитая высшая нервная деятельность и практически идентичный иммунный ответ.
Почему сегодня правила меняются?
Сегодня правила исследований на животных постепенно меняются, и наука все чаще ищет способ «уволить» мышей и кроликов из лабораторий. Еще в 1959 году английские ученые Уильям Рассел (1925-2006) и Рекс Берч (1915-2002) сформулировали так называемую концепцию 3R (в русской традиции — Принцип «Трех О»), которая сегодня стала золотым стандартом биоэтики.
- Replacement (Отказ): если эксперимент можно провести без использования живого высокоорганизованного животного, например, на культуре клеток, компьютерах или бактериях, ученый обязан выбрать альтернативу.
- Reduction (Ограничение): если обойтись без животных нельзя, количество особей в опыте должно быть математически минимизировано до строго необходимого для получения достоверной статистики.
- Refinement (Оптимизация): условия содержания и проведения процедур должны быть максимально гуманными. Это включает обязательное обезболивание, использование качественных наркозов, обогащение среды в клетках (игрушки, домики) и минимизацию любого стресса.
Сегодня любой научный проект, претендующий на грант или публикацию в международном журнале, проходит через жесткий контроль этического комитета. Чтобы получить разрешение на проведение экспериментов, ученые должны обосновать их необходимость и подтвердить соблюдение принципа «Трех О», иначе работу просто заблокируют. При этом все более заметную роль играет и общественное мнение, требующее гуманного отношения к лабораторным животным. Однако говоря об ограничениях экспериментов на животных, надо признать, что дело тут все же не только в этике, но еще и в целом ряде более прозаических причин.
Во-первых, эксперименты на животных — это колоссально дорого и долго. Содержание сертифицированных вивариев (прим. ред.: специальных помещений для разведения и содержания лабораторных животных) требует соблюдения жестких стандартов чистых комнат, особых кормов, круглосуточного ветеринарного контроля и обслуживающего персонала.
Во-вторых, животные также имеют свои характер и эмоции. Мышь может испытывать стресс от того, что в лаборатории включили яркий свет или громко хлопнули дверью. Стресс вызывает выброс кортизола и адреналина, эти гормоны меняют биохимию крови, и результат эксперимента оказывается искажен.
В-третьих, и это главное, существенные межвидовые различия ограничивают применимость результатов экспериментов на животных к человеку. Увы, несмотря на черты сходства между человеком и рядом животных, о которых мы говорили выше, испытания на животных не дают точного результата из-за тонких межвидовых различий — явления, которое в фармакологии называют межвидовым барьером. И этот барьер на микроскопическом уровне создает гигантскую проблему. Около 90% всех лекарственных кандидатов, которые показали блестящие результаты на животных — успешно лечили рак, блокировали диабет или восстанавливали память у мышей — проваливаются на этапе клинических испытаний на людях. Почему так происходит? Причин много. Вот лишь некоторые.
Различия в ферментах печени. За нейтрализацию чужеродных веществ в организме отвечают ферменты системы цитохрома P450 (прим. ред.: группы белков, преимущественно в печени, которые участвуют в расщеплении лекарств, токсинов и других веществ). У мышей и людей набор и активность этих ферментов разнятся. Вещество, которое печень мыши расщепляет на безвредные компоненты за пять минут, в печени человека может превратиться в опасный яд — или наоборот, моментально выработаться и выйти из организма, не успев оказать лечебного эффекта.
Иммунные нюансы. Иммунная система мыши формировалась в условиях подвалов и антисанитарии, ее механизмы ответа на инфекции и воспаления существенно отличаются от человеческих.
Так называемая «талидомидовая катастрофа» — самый трагический исторический пример, когда в результате испытаний на животных люди получили не желаемое лекарство, а страшнейший яд. В конце 1950-х годов препарат талидомид широко назначали беременным женщинам как безопасное успокоительное и средство от утренней тошноты. Препарат прошел все стандартные тогда проверки на грызунах и показал нулевую токсичность. Однако ученые не учли, что у людей и грызунов различается метаболизм энантиомеров (оптических изомеров) этого вещества. В результате на свет появилось более 10 тысяч детей с тяжелыми врожденными пороками развития, в том числе отсутствием или недоразвитием конечностей.
Топ-5 технологий, способных «уволить» животных
Именно поэтому наука XXI века уже создает альтернативные пути, способные соединить более гуманный подход к испытаниям на животных и надежные гарантии безопасности новых продуктов и технологий для человека. Приведем как пример пять ключевых технологий, которые шаг за шагом вытесняют животных из лабораторий.
1. Органоиды и 3D-биопечать: выращивание мини-органов из человеческих стволовых клеток.
Органоид — это трехмерная микроскопическая структура, выращенная в лаборатории из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (прим. ред: обычных клеток организма, которые искусственно перепрограммировали в стволовые, способные превращаться практически в любые типы клеток). Ученые берут обычные клетки кожи или крови взрослого человека, с помощью специальных факторов «сбрасывают» их развитие до эмбрионального состояния, а затем заставляют дифференцироваться в клетки нужного органа.
Сегодня биологи умеют выращивать органоиды мозга, печени, почек, кишечника и сетчатки глаза размером от пары миллиметров до сантиметра.
А с помощью 3D-биопечати, когда специальные биопринтеры наносят «чернила» из живых клеток и гидрогелевого каркаса слой за слоем, ученые создают объемные фрагменты тканей с заданной структурой и микрососудистой сетью.
2. Системы «Орган-на-чипе»: микросхемы, имитирующие живую динамику органов.
Просто вырастить кусок ткани недостаточно — орган должен жить в динамике. Здесь на помощь приходит микрофлюидика — наука о поведении малых объемов жидкостей в микроскопических каналах.
Система «Орган-на-чипе» представляет собой прозрачную пластиковую или силиконовую пластину размером с обычную флешку. Внутри нее вытравлены микроскопические каналы, выстланные живыми клетками человека. По каналам с помощью микропомп циркулирует питательный раствор, имитирующий кровоток. Исследователь может ввести испытуемый препарат в питательный канал чипа и с помощью датчиков считывать, как меняется реакция человеческих клеток в реальном времени.
3. In Silico (ИИ-моделирование): суперкомпьютеры, просчитывающие токсичность веществ на виртуальном человеке.
Термин In Silico (буквально «в кремнии», по аналогии с латинскими In Vivo — в живом организме, и In Vitro — в пробирке) означает проведение экспериментов с помощью компьютерного моделирования и искусственного интеллекта.
Современные алгоритмы анализируют огромные массивы биомедицинских данных и прогнозируют действие новых веществ. Например, модели QSAR (количественная связь между химической структурой и биологической активностью) помогают предсказать, будет ли соединение токсичным для печени, способно ли вызвать мутации или нарушения сердечного ритма.
Благодаря ИИ ученые могут за считанные дни проверить миллионы потенциальных соединений и отсеять многие опасные или неэффективные варианты еще до их синтеза в лаборатории.
4. Российские платформы «Человек-на-чипе»: разработки МГТУ им. Баумана и Научного центра неврологии для скрининга без мучения животных.
Отечественная наука также активно двигается в этом направлении. Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с Научным центром неврологии и другими академическими институтами разрабатывают собственные мультиорганные микрофлюидные платформы.
Концепция «человек-на-чипе» выходит за рамки моделирования отдельных органов. Это замкнутая система, где на одной платформе соединены несколько микрочипов, имитирующих разные органы: например, «печень», «почки», «сердце» и «гематоэнцефалический барьер». Каналы между ними объединены в единую сеть.
Это позволяет увидеть полный маршрут лекарства: мы добавляем вещество в «кишечник», оно всасывается, попадает в «печень», превращается в метаболиты, затем переносится к «мозгу» или «сердцу», а остатки выводятся через «почки». Такое комплексное автоматизированное массовое тестирование дает максимально приближенный к реальности результат без применения лабораторных животных.
5. Микродозинг (Фаза 0): введение добровольцам ультрамалых, безопасных доз для анализа на сверхчувствительных приборах.
Еще один подход — «Фаза 0» клинических исследований, основанная на микродозинге. Добровольцу вводят крошечную дозу препарата — обычно не более 1/100 предполагаемой терапевтической дозы и 100 микрограммов. Такая доза, как правило, не оказывает лечебного действия, а риск побочных эффектов минимален. Затем с помощью высокочувствительного оборудования ученые отслеживают, как организм усваивает, расщепляет и выводит вещество.
Наступит ли будущее без вивариев?
Почему же при наличии всех этих методик мы до сих пор не отказались от экспериментов на животных? Главная причина — сложность человеческого организма. Современные технологии позволяют воспроизводить работу отдельных органов, но пока не способны полностью имитировать взаимодействие всех систем, включая иммунитет, нервную систему и микробиом. Второе препятствие — законодательство. Прежде чем новые методы смогут официально заменить испытания на животных, необходимо доказать их надежность, точность и безопасность. Такая проверка требует масштабных исследований и может занимать годы.
У человечества накопился огромный долг перед лабораторными животными. Без их использования медицина, физиология, фармакология и немалая часть других естественных наук никогда не достигли бы сегодняшних успехов. Однако переход к органоидам, микрофлюидным чипам и искусственному интеллекту — это логичный и неизбежный эволюционный шаг самой науки, стремление к большей точности, персональной медицине и предсказуемости результатов. Рано или поздно будущее без вивариев, конечно же, наступит. Но путь этот будет еще долгим, непростым и, скорее всего, сам переход станет гибридным: компьютеры и микрочипы возьмут на себя 95% первичных скринингов и тестов, а животные останутся участниками процесса лишь на самых сложных этапах.
Автор текста Анастасия Будаева
Изображение: Magnific
