毒性试验中动物试验的替代品：食品安全评估的现状和未来展望

毒性试验中动物试验的替代品：食品安全评估的现状和未来展望

自从1959年在安全试验中引入动物的“3Rs”概念以来，动物试验替代方法的发展获得了巨大的势头。此后，已经引入了几种替代方法，包括但不限于体外和化学测试系统、in silico模型和计算模型（如定量结构活动关系模型、高通量筛选、器官芯片模型和基因组学或生物信息学）来预测化学毒性。此外，一些机构已经制定了强有力的综合测试策略来确定化学毒性。化妆品行业正在率先采用安全评估的替代方法，其他部门的目标是到2035年完全放弃动物检测。然而，与其他部门相比，除了使用体外基因检测外，管理食品工业的机构在在安全评价中实施替代方法方面进展缓慢；为食品成分设定基于健康的指导价值需要系统毒性数据，迄今为止，还没有独立验证的替代模型来评估系统毒性。上述模型显示了通过进一步研究中评估全身毒性的前景。在本文中，我们回顾了目前的替代方案及其在食品安全评价中的适用性和局限性。

为了实现对这些替代方法的监管接受，食品行业的行为者了解新的替代测试模型的状态和这些模型的概念导航是很重要的。为此目的，本报告概述了目前动物试验替代品的科学发展。表1总结了各种替代方法，包括它们的优点、缺点、未来的需求和食品安全评价的现状。

表1 毒性试验的替代方法总结

可用于预测毒理学动力学以及系统终点（致癌性和生殖毒性）的先进体外模型如下：

1、毒动学

1）细胞培养。

人结肠细胞系（Caco-2细胞）通常用于评估药物通过肠道的通透性和毒性。虽然Caco-2细胞可以很好地捕获被动的细胞外吸收，并具有良好的体内外相关性，但当酶或转运体介导的过程参与吸收或代谢时，Caco-2实验的定量预测更加困难。de Boer等人指出，将其他细胞类型整合到Caco-2体外模型中，可以提高这些肠道模型的屏障完整性、活力和细胞因子分泌。最近，Santbergen等开发了一个集成的在线分析系统，使用单层Caco-2和HT29-MTX流式Transwell system细胞系统以及质谱，评估肠道吸收和检测未知产品的形成，同时确保体外肠道屏障的生物完整性。

体外细胞培养模型也可应用于预测代谢。使用肝细胞的高通量体外检测已被用于预测药物的代谢清除。使用人肝癌细胞系HepaRG™进行的代谢研究特别有前途，并为体内代谢清除率提供了足够的预测。与体外吸收或腔消化方法相比，与农药和药物等其他部门相比，在食品化学品风险评估中很少使用体外代谢数据。Punt 等人指出，农药使用微粒体或完整的动物或人类细胞系统的监管数据要求确定毒理学动物数据的相关性，指导结果的解释，并进一步定义测试策略。目前，还没有统一的监管政策将体外动力学研究纳入食品化学品的风险评估——这被确定为阻碍在食品化学品的安全评价中接受3Rs的因素之一。Punt等人还回顾了几种体外消化系统，这些系统用于（i）研究制剂中化学物质的释放（药物溶解）；（ii）研究复杂基质中化学物质的释放（即生物可及性）；（iii）预测常量营养素的消化；（iv）研究消化酶的存在、胃肠道pH的影响以及微生物群的分解如何影响化学物质的稳定性。作者指出，这些消化模型还不允许对化学物质的体内腔分解进行定量预测，需要开发反映人类肠道细菌数量和多样性的定量方法。作者还指出，微流控装置的发展，如器官芯片（也称为微生理系统），可以在这方面提供新的机会。

2）器官芯片

芯片上的器官是现代微流体技术的一个例子，它复制了一个生理器官的环境。这些模型是微工程的，包括生理微环境参数，如几何、机械和生化因素，用于体外测量，并可以作为高通量方法获得。

2、致癌性

利用Bhas 42细胞系和叙利亚仓鼠胚胎细胞系进行的体外细胞转化试验（CTAs）已通过ECVAM验证，用于致癌性测试。然而，验证体外CTA失败测试指南采用而是作为指导文档（经合组织，2017），监督检测指南采用的经合组织专家组认为该模型没有被充分理解，并认识到目前没有一种单一的检测可以证明和预测非基因毒性的致癌作用。EFSA指出，当某一物质类别的遗传毒性数据的预测能力有限时，CTA生成的数据可用于评估，或用于对具有致癌性结构警报的物质的调查，并证明不同化学类别的差异或相似性（EFSA，2011）

3、生殖毒性

生殖器官（特别是睾丸）的三维模型已经显示出了筛选男性生殖毒物的巨大潜力。AbuMadighem等人最近开发了一种芯片上的睾丸模型来研究体外精子发生。作者指出，这也可以是一个药物和毒素测试的平台。此前，Baert等人开发了一种肝脏和睾丸的多器官共培养芯片，作为使用睾丸类器官和肝球状体评估全身男性再毒性的第一步。

各种体外胚胎毒性试验（胚胎干细胞试验、微质量胚胎毒性试验和植入后大鼠全胚胎培养试验）目前作为筛选试验正处于发展阶段。“监管接受替代方法跟踪系统”（TSAR）网络平台显示了目前正在开发的方法。这些测试，以及斑马鱼分析，已被用于筛选药物开发和发现的线索。虽然这些体外试验可能不能完全取代动物试验，但它们可能提供关于一种化学物质的潜在毒性的有价值的信息，并结合其他信息来源，它们可以为决定进行进一步的动物试验提供信息，或在没有任何影响的情况下，放弃进一步的动物研究。

本综述总结了不同部门安全评价中动物试验替代品的最新进展和现状，并特别关注了食品安全评价。目前，一些体外和in silico工具和AOPs正在处于开发阶段，并已被纳入不同部门的安全指南。化妆品行业正在开创将NAMs纳入安全评估的先驱，经合组织最近发布的皮肤过敏定义方法指南是将NAM纳入安全评估的国际突破。在食品安全评估中，EFSA和美国FDA等全球监管机构承认了范式转变，并在风险评估方面采用了新的工具，但速度比其他行业慢。这是由于缺乏有效的全身毒性模型，而这是建立食品和食品成分的安全参考值的先决条件。然而，人们正在做出相当大的努力来验证和整合体外数据与其他替代工具，如计算模型，并使用基于证据重量（WoE）的方法或综合测试策略（ITS）生成的数据进行风险评估。

原文：Reddy, N., Lynch, B., Gujral, J., & Karnik, K. (2023). Alternatives to animal testing in toxicity testing: Current status and future perspectives in food safety assessments. Food and chemical toxicology: an international journal published for the British Industrial Biological Research Association, 179, 113944. https://doi.org/10.1016/j.fct.2023.113944