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近年來，許多先進國家已投入替代方法的開發與驗證，並應用於相關法規的執行，如工業化學品、農藥、動物用藥、食品與飼料添加劑、化妝品等的安全性測試評估。然而，替代方法對於台灣算是剛起步發展的新興領域。
在動物實驗的操作的3Rs原則當中，其中很重要的一項核心理念是替代（Replacement）。近年來，科學界也針對不少原本需要犧牲動物才有辦法取得數據的實驗，進行實驗改良或新技術的研發，便是所謂「非動物性替代方法」。
台大獸醫系王家琪副教授說明道，藥物開發過程中在使用到人身上前，必須決定人體使用的安全的劑量，「這有一個很完整的體系，是臨床前試驗需要執行的毒理實驗，當中便包含細胞實驗與動物實驗。而目前正有許多替代動物毒理試驗的不同技術正在被開發。然而這些替代試驗也可能具有限制，因此在真正使用到人體前，還是需要使用到至少兩種的哺乳類實驗動物進行實驗。」
王家琪副教授另外舉例，一些實驗像是某化學物質是否會引起細胞的突變性等，其實早就有法規可接受的非動物測試平台，是利用基因轉殖的細菌進行的回復突變性試驗。這種叫艾美試驗（Ames test）的系統，可用來評估各式化學物引起基因突變的毒性作用。
艾美試驗在過程中將基因轉殖的沙門氏菌暴露於待測物裡，由於其無法存活於缺乏組胺酸（Histidine）的環境，因此若將該基因轉殖菌培養於含待測物但無組胺酸的試液中，該菌卻能利用培養液中葡萄糖合成組胺酸而存活並生長出菌落時，表示該待測物具有基因突變的作用，能將基因轉殖的逆轉菌（revertant）回復為原菌種。
而在評估免疫系統的過度反應等研究，也有開發皮膚敏感性的動物替代性試驗。王家琪副教授解釋：「由過去的研究讓人們對疾病有足夠的了解，找到一些不良反應發生的重要關鍵的步驟，科學家便能依據這些步驟設計出來符合毒理作用機制的體外試驗來代替動物實驗。」
然而像是藥物、化學品致癌性的試驗方面，不見得有可用的替代實驗，那做為把關就還是需要使用到一些實驗動物的平台。「但是就會要求操作者需要做過訓練，而且在劑量使用上要能精準地完成實驗設計，不是漫無目的地、未參考基礎文獻就貿然進行實驗，而是要設計出符合回答這個問題、合理的實驗，然後盡量用到最少的實驗動物來回答。且執行毒理實驗的過程都要符合標準的實驗室操作規範。」
王家琪副教授分享：「此外可藉由蒐集大量已經完成的實驗動物資料，讓電腦去運算某化學物有什麼樣的特徵，與實驗動物身上觀察到不良反應有關連，進一步建立預測系統。」
例如歐洲化學品管理局曾對於經濟合作暨發展組織（OECD）開發之電腦預測平台OECD QSAR Toolbox，對於如何支持動物試驗替代方法以評估化學品的安全性，提供許多重要建議。目前歐盟的化學品管理上也可接受符合規範的電腦預測報告，做為審核化學品安全性的第一線資料之一。
此外，現在也有科學家在著手研發仿照細胞於人體內生長環境的器官晶片（organs-on-a-chip, OOC），希望未來能夠取代動物實驗。國立陽明交通大學生醫工程研究所的副教授陳冠宇的研究團隊，便是當中的一員。陳冠宇研究團隊成功建立人體仿生肺晶片及肺生理呼吸系統，為全台首創具突破性之體外肺晶片和氣曝呼吸系統。
為什麼麼會想研發器官晶片？陳冠宇回憶，自己剛到美國麻省理工學院進行博士後研究時，首先也要上動物實驗的認證課程，「那天讓人記憶猶新，是個暴風雪的天氣，讓人回憶起求學時期上課遇到壞天氣般，非常不想去上課，當時我就在想有沒有一種技術，可以在未來實現替代動物實驗，且還是能獲得體外可靠的實驗數據呢？後來在美國就看到了創新的器官晶片技術，於是回台任職後，就下定決心要來發展它。」
器官晶片是一種多流道3D細胞晶片，結合了組織細胞，並搭配3D列印技術以及相對應的生物可列印材料，因此可以有效模擬相似於體內微環境及器官系統的活動，包括力學和生理反應。
自2015年開始，包含美國國家航空暨太空總署（NASA）、美國食品藥物管理局（FDA）及部分大型藥廠，皆陸續投入資源進行器官晶片技術的開發。
「當初回陽明交大任職時，器官晶片在國內還是非常新的概念，多數人都非常陌生，在研發上也因此遇到許多挑戰，同時，如何在使用實驗動物的人，與開發動物替代技術的人之間，找到一個好的平衡點，也是很大的困難。」
然而非常幸運的，陳冠宇在器官晶片技術發展過程中遇到許多前輩、資源的幫助，讓研究團隊的人體肺晶片屢獲突破，並榮獲國際獎項LUSH Prize，「那年的獎項只有三位亞洲科學家獲獎，而我正是其中之一，並受邀親赴德國領獎，讓國內的科研能量被世界看到。」
陳冠宇副教授的實驗室所開發的器官晶片，能夠將人體的肺泡組織重現在晶片上。在晶片的中間具有一層薄膜（porous membrane），可於其上共同培養肺泡上皮細胞及血管的內皮細胞，隨後藉由軟、硬體控制微量氣體及液體於晶片上的進出。這樣的器官晶片含能夠動態長期培養、成功再現肺泡生理組織，若需觀察也可透過顯微鏡操作進行。
陳冠宇副教授的肺泡組織器官晶片甚至可以擴增為一個呼吸系統，實驗者可以暴露菸害、空汙等氣體分子於系統中，已得到更多更複雜的肺泡仿生數據。這樣的技術對於取代部分相關的動物實驗具有值得期待的潛力。
「這幾年來器官晶片發展逐漸成熟，包含毒理測試和新藥開發，尤其我們所開發的肺晶片在後疫情時代更加倍受重視，然而這些創新科技距離走入人群依舊遙遠，因此現階段我也結合器官晶片、人工智慧和區塊鏈應用，成立Anivance AI新創團隊，發展屬於個人的數位分身（Digital Twins）模型。」
什麼是數位分身（Digital Twins）模型？想像一下，在不久的將來，實驗室會有個你的分身──器官晶片，協助釐清、預判自身健康情況和用藥策略，並透過數位化優勢，打開手機就隨時隨地了解健康風險，以創新科技實現數位醫療和精準健康將不再是夢想。
非動物性替代方法，利用人類／動物細胞或組織培養、試管中生物或化學試驗、電腦預測毒性、模擬生理及代謝、器官晶片等取代傳統動物試驗的方法。這些替代方法從研究發展到測試規範的建立、甚至是法規接受與產業使用，必須經歷嚴格的驗證研究與專業審查過程。
近年來，許多先進國家已投入替代方法的開發與驗證，並應用於相關法規的執行，如工業化學品、農藥、動物用藥、食品與飼料添加劑、化妝品等的安全性測試評估。然而，替代方法對於台灣算是剛起步發展的新興領域。
對於非動物性替代方法有興趣的人、或是想找尋相關技術的科學家，都可透過「非動物性替代方法資訊網」查找最新的資訊。而農委會也特地於2020年發函給各學術研究單位，要求實驗人員在提出動物實驗計畫申請時，務必現在非動物性替代方法資訊網上查詢是否有已驗證替代方法，以落實實驗動物減量、替代、精緻化之原則。
歐盟在1993年即提出化妝品禁用動物試驗，台灣《化妝品衛生安全管理法》中也規定化妝品業者於進行化妝品或成分之安全性評估時，除有下列情形之一，並經中央主管機關許可者外，否則不得以動物作為檢測對象：
- 該成分被廣泛使用，且其功能無法以其他成分替代。
- 具評估資料顯示有損害人體健康之虞，須進行動物試驗者。
包含上述介紹的技術，科研界正努力研發各種實驗動物的替代試驗，然而就現況來說，非動物方法在許多實驗結果的推論上仍具有限制。隨時關注最新技術發展，在可行的範圍內達到動物實驗減量之餘，更重要的可能會是正確心態的建立。在面對實驗桌上的生命時負起責任，以熟捻的技巧、完善的實驗設計和正確的操作概念，讓實驗正確妥善的進行，動物受到善待照護，是每一位用到實驗動物的人員，一輩子都必須持續精進的課題。
參考資料
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責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航
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