综述：毒理学中伦理与可持续转型的图谱：文献计量分析与新方法学综述

本综述系统探讨了毒理学领域向新方法学（NAMs）的范式转变，融合伦理（如3R原则、动物福利）与可持续性（如绿色毒理学）维度。通过文献计量与政策分析，揭示NAMs（如体外in vitro、计算机in silico模型）在监管测试、方法优化及人类细胞创新三大领域的进展，强调伦理正从象征性承诺转向可操作框架（如第四R“责任”），推动动物替代、人类相关且资源高效的风险评估转型。

　　

引言

近年来，毒理学领域正经历一场深刻转型，旨在实现更伦理、高效且人类相关的风险评估方法。这一转变的核心推动力包括减少动物实验的伦理诉求、对可持续科学的追求，以及监管体系对新方法学（New Approach Methodologies, NAMs）的逐步接纳。NAMs作为一个统称，涵盖非动物方法，如体外（细胞或组织实验）、计算机（计算或AI驱动模型）、化学反应性测定及整合策略，旨在通过提供更相关或更具保护性的模型，增强化学品安全性评估，最终支持减少并替代动物测试。

NAMs具有高度跨学科特性，涵盖先进细胞测定、类器官、器官芯片系统、组学技术、定量构效关系（QSAR）建模以及测试与评估整合方法（IATA）。后者作为结构化决策框架，结合多源数据以得出监管结论，尤其在监管毒理学中具有重要意义。

伦理动机源于3R原则——替代（Replacement）、减少（Reduction）和优化（Refinement），由Russell与Burch于1959年提出，并通过欧盟指令2010/63/EU制度化。然而，动物使用的持续存在引发伦理质疑，批评者指出制度惯性、监管保守主义及缺乏问责机制阻碍了3R原则的实际落实。为应对这些局限，伦理框架被扩展至第四R——“责任（Responsibility）”，强调道德能动性、主动参与及研究中的关怀文化。部分学者进一步提出更广泛的12R框架，涵盖动物福利、社会价值、科学完整性等多重伦理领域。

与此同时，可持续性成为NAMs采纳的另一驱动力。传统毒性测试依赖活体动物，资源密集且产生大量生物与化学废物。相比之下，NAMs提供低浪费、高通量、节能的替代方案，契合欧盟绿色新政与零污染行动计划，并通过促进更安全的化学品设计和早期危害识别，支持循环经济与绿色毒理学。

尽管前景广阔，NAMs的广泛实施仍面临验证障碍、监管保守主义及缺乏统一指南等挑战。多利益相关方的协调与参与是加速其接受与有效使用的关键。本研究通过混合方法（文献计量分析与快速综述）探索伦理与可持续性原则如何融入NAMs相关的毒理学研究，旨在为负责任、科学驱动的向动物免费毒理学实践转型提供证据支持。

方法论

本研究采用混合方法设计，结合文献计量分析与快速综述，数据源自Web of Science（WoS）和Scopus数据库。搜索策略聚焦技术术语（如体外、计算）、NAM术语、伦理框架（如伦理、动物福利）、可持续性框架（如可持续性、绿色毒理学）及人类适用性关键词。最终数据集经过去重与筛选，纳入333篇出版物进行文献计量分析。

文献计量分析使用VOSviewer软件，通过关键词共现网络识别主题集群，并借助网络可视化、叠加可视化及密度可视化映射研究趋势与热点。快速综述则遵循Cochrane快速评论方法组建议，对文献进行定性综合，提取伦理与可持续性维度的见解。

结果

文献计量聚类分析

关键词共现网络识别出三大主题集群：

1. 1.
   测试（Testing）集群（红色）：共86个术语，聚焦监管测试、实验设计与伦理驱动框架。核心术语包括“毒性”、“细胞毒性”、“监管接受”、“3R替代方法”及“动物福利”，反映NAMs的方法学与合规性支柱。
2. 2.
   因素（Factor）集群（绿色）：共49个术语，关注影响NAM性能与采纳的参数变量。核心术语包括“因素”、“优化”、“效率”、“表达”及“危害”，强调实验可重复性、模型行为及文化影响因素。
3. 3.
   培养（Culture）集群（蓝色）：共37个术语，以细胞培养、体外模型及生物工程技术为中心。核心术语包括“培养”、“细胞”、“体外”、“干细胞”及“组织工程”，突出人类细胞方法与生物系统模拟的基础作用。

时间趋势与新兴主题

叠加可视化显示，早期研究（黄色至浅绿色）集中于“动物实验”、“毒性”及“监管接受”等术语；近期研究（深绿色至蓝色）则转向“负责任创新”、“芯片”、“纳米材料”及“伦理推理”等概念，表明NAMs领域正逐渐融入社会技术与整合方法。术语“整合”、“可持续性”及“框架”出现在时间轴后端，提示伦理与政策维度正成为新兴方向。

主题密度分布

密度可视化表明，高密度区域对应成熟研究主题，如“体外”、“毒性”、“动物福利”及“3R”；中度密度区域包括“干细胞”、“药物发现”及“可持续性”；边缘低密度区域则涵盖“负责任创新”、“芯片”、“伦理议题”及“绿色毒理学”等新兴或专业概念，显示这些领域尚处于发展初期。

讨论

集群1：测试——伦理驱动与监管创新

“测试”集群构成NAMs讨论的核心，聚焦非动物测定在监管毒理学中的接受过程。中心主题包括替代动物测试的伦理义务（3R、4R乃至12R框架），以及对可靠、人类相关方法的需求。早期倡导者警告，必须解决制度障碍与验证标准，才能实现非动物测试的伦理与科学优势。

监管演变与伦理目标高度一致。例如，欧盟2010动物使用指令将3R原则纳入法律，美国FDA与欧洲药品管理局（EMA）更新指南以推广符合3R的方法。2025年，FDA进一步推动在单克隆抗体治疗等药物开发中使用人类相关替代方法。这一转型不仅源于道德责任，也因科学证据显示人道方法可提升预测准确性。

可持续性在“测试”集群中作为互补主题出现。传统测试资源密集，而“绿色毒理学”框架通过计算方法和早期安全评估，限制有害化学品的合成与测试，减少动物使用与环境污染。欧盟化学品可持续性战略明确要求创新危害评估以减少对动物测试的依赖，并通过标准化OECD模板促进非动物测试数据的跨机构重用。

实现“动物免费”未来需多领域协同创新：科学上优化与验证新方法；制度上协调监管与利益相关方实践。多边倡议（如EU-NETVAL、ICCVAM）正加速NAMs标准化与全球监管接受，但文化惯性与知识差距仍可能延缓采纳。因此，需“自上而下”的指令与资金（如欧盟ONTOX项目）结合“自下而上”的科学实践与教育变革，共同推动转型。

集群2：因素——技术与文化因素的协同

“因素”集群突出影响NAM性能、解释与接受的变量与背景考量。该集群关注科学因素（可重复性、有效性、敏感性）与人为因素（认知、熟悉度、利益相关方行为），这些必须妥善管理以释放NAMs全部潜力。

科学稳健性与相关性提升是关键主题。研究发现，专家对NAM可行性的认知高度依赖其熟悉度，即“熟悉模式”。长期从业毒理学家更信任传统动物测试或熟悉的NAMs，而新进专业人员更开放创新技术。此外，“错误成本”风险——新方法失败导致错误决策——使部分监管者对NAMs数据持怀疑态度。因此，除开发新方法外，领域必须主动构建专业知识与信心，教育与培训成为关键因素。

技术侧重点在于优化NAM性能与可信度。例如，在心血管研究中应用3R原则开发优化动物模型，不仅减少动物使用，还产生更可靠数据与疾病机制洞察。在复杂生物学复制方面，混合QSAR模型结合分子对接等毒理学数据，可预测神经毒剂致死剂量，提供伦理且可扩展的替代方案。

文化与组织因素同样重要。对变革的抵抗（源于惯性、习惯或制度规范）是非技术障碍。研究表明，“对既定方法的舒适度”可能阻碍向NAMs转变。数十年的历史动物数据与专业知识造成现状偏见，许多毒理学家因长期熟悉与广泛参考数据而对动物模型充满信心。为应对此，NAM支持者需展示明确益处（财务、生产力或科学），说服机构投资变革。

利益相关方合作与责任是另一跨领域维度。采纳NAMs常涉及多部门（学术界、产业界、监管机构、非政府组织），早期合作可确保新方法设计符合监管需求（如数据要求、验证标准），平滑采纳路径。伦理责任维度也在扩展，例如引入第四R“责任”，强调研究人员在不可避免使用动物时主动寻求替代与最小化伤害的个人责任。

总之，“因素”集群表明，向NAM转型并非随新方法发明自动发生，而是依赖多因素汇聚：科学上方法需优化相关性与可重复性；逻辑上改进验证与数据共享流程；文化上通过培训、试点研究及成功案例传播建立信任。伦理与可持续性作为底层动机，例如优化测试以减少动物或试剂使用，既提升效率又降低伦理成本与环境足迹。

集群3：培养——细胞模型与人类生物模拟的进步

“培养”集群聚焦NAMs的实验室核心：细胞培养、组织工程、类器官、微生理系统及相关体外创新，旨在复制人类生物学而无须活体动物。该集群体现对生物基质的研究，这些基质可模拟人类相关反应，是实现其他集群伦理与概念目标的具体手段。

中心主题是体外复制人类生理学的显著进展。过去十年，先进系统如3D类器官、诱导多能干细胞（iPSC）衍生物及器官芯片设备已从实验奇观转变为主流研究工具。干细胞模型与类器官作为革命性替代方案，更准确模拟人类器官功能，从肝脏代谢到大脑微结构。这些模型具有双重承诺：伦理优势（源自人类细胞来源或重编程细胞，避免动物牺牲）且科学上常更优越，因捕获动物模型无法提供的物种特异性生物学。

然而，该集群也讨论这些先进模型充分实现承诺的挑战与要求。反复出现的担忧是标准化与质量控制。由于这些系统（类器官、3D培养等）复杂且常手工制作，确保实验室间或批次间的可重复性困难。强调稳健质量控制（QC）协议的重要性，从细胞系遗传稳定性检查到类器官屏障完整性等功能测定，以确保结果可靠且可跨研究比较。无一致标准，监管机构仍 hesitant信任这些模型数据。

监管对齐是持久子主题。许多作者指出，虽然体外模型改进，但安全测试中的正式接受需在更大规模证明其有效性与可重复性。例如，机器人生物自动化（ReBiA）通过自动化细胞培养过程，以更低成本生产人类组织模型（如重建皮肤与气道上皮），匹配手动培养质量。此技术方案直接解决可持续性与可扩展性，自动化可降低专业知识门槛与体外组织使用费用，拓宽其采纳并潜在替代更多动物测试。

伦理仍是集群3的清晰驱动，常与科学原理共提。公众与监管对无动物方法的需求在特定领域（如欧盟化妆品与化学品测试）尤其强烈，且动物皮肤与人类皮肤显著不同。这些压力导致体外皮肤模型（2D细胞层、3D重建人类皮肤等）在皮肤病学研究中日渐不可或缺。但也承认局限：即使流行3D皮肤模型可能缺乏某些免疫成分或完全成熟结构。暗示需持续优化，可能整合计算机模拟或基因组方法，最终达到与动物测试持平或更优。

可持续性也出现在集群3，常链接高科技模型的效率收益。高效细胞测定可在较短时间内测试较动物研究更多的化学品，契合在紧张时间线下评估数千种遗留化学品的需求（环境法规要求）。例如，监管机构转向体外与计算机方法简化生态毒理学化学品危害评估，反映可持续毒理学不仅是环境意义“绿色”，也是开发可扩展测试策略以处理现代工作负载的现实。

总之，“培养”集群展示动物免费测试范式的具体工具及其周围演化生态系统。术语“细胞”、“体外”、“人类细胞”或“组织工程”的密集分组指示这些概念在当前研究的核心作用。每术语连接推动毒理学向人类模拟系统的工作，从器官特定模型（如肝脏球体与跳动心脏组织）到整体平台（包括多器官“人类芯片”微生理系统）。文献回顾突出关键突破，包括全机器人细胞培养与疾病建模功能人类类器官。批判性审视下一步需求：提高标准化、更多比较研究以验证这些模型、更明确监管整合指南，及参与新兴伦理议题（包括技术公平获取与人类细胞负责任使用）。

伦理与可持续性作为交叉主线。创新以如何减少动物使用与提升人类相关性框架，以及如何节省时间、成本或资源。共同地，集群强调更广泛点：向动物免费毒理学运动不仅是抽象伦理立场，而且正通过科学创造力砖瓦构建。随着这些模型更普及，正反馈循环可能出现（叠加分析提示）：最新出版物（深绿至蓝色）倾向于聚集“器官芯片”、“可持续性”及“伦理”考量等概念，表明最新研究正积极整合技术发展与伦理及可持续框架，囊括毒理学中负责任创新概念。

结论

毒理学向伦理与可持续实践转型是多方面努力，需伦理领导力、科学创新、政策改革与文化变革协同。文献计量集群虽 distinct，却是更大拼图的协同碎片：集群1提供高层愿景与监管框架，声明为何及何方向必须改变；集群2识别决定改变效率的关键因素与障碍；集群3提供改变发生的具体科学手段。

随着领域发展，持续跨学科合作对解决剩余差距（如复杂系统毒性、长期暴露效应及全球法规协调）至关重要，但轨迹清晰。毒理学中的伦理与可持续转型正在进行中，每学术集群贡献使毒理科学更人道、相关且适应未来。