培养食品安全性评估中动物毒理学研究的科学审视：基于证据权重框架的替代策略

《Future Foods》：Scientific perspective on animal toxicological studies for the safety assessment of cultivated food products

　　

摘要 背景：随着培养肉与培养海鲜领域的发展，传统风险评估方法，尤其是全食物动物喂养试验，亟需批判性评估。动物试验，尤其是长期喂养试验，资源与时间消耗巨大，结果解读可靠性存疑，且涉及伦理争议。鉴于培养食品受控的生产环境以及成分、分子和暴露数据的可获得性，本文考察了证据权重（weight-of-evidence）框架作为科学稳健的安全性评估方法的适用性。 研究范围与方法：本文旨在批判性评估在培养食品产品安全性评估中进行体内（in vivo）毒理学研究的科学合理性，并考察基于非动物的替代方法。 主要发现与结论：借鉴监管先例、分析框架和案例研究，本综述表明，整合成分分析、暴露评估和新方法学（New Approach Methodologies, NAMs）的分层证据权重框架，相较于对所有产品统一要求动物试验，提供了一种科学严谨且比例相称的策略。

培养食品安全性评估的科学审视：从动物试验到证据权重框架的范式转变

一、研究背景与问题提出

随着细胞培养技术在食品领域的应用日益成熟，培养肉和培养海鲜等新型食品正从实验室走向商业化。这类产品通过在受控环境中体外培养动物或植物细胞来生产，有望复制甚至改善传统食品的感官和营养特性。然而，新型生产方法的引入使得上市前的科学评估成为保障公众健康的关键环节。目前，全球各监管机构对培养食品的监管框架存在显著差异：欧盟采用分层评估策略，欧洲食品安全局（EFSA）明确指出根据食品性质可能无需动物毒理学研究；美国、新加坡、澳大利亚/新西兰和以色列等国已在无需全食物动物试验的条件下批准培养食品上市；而韩国和泰国的新兴指南则建议开展啮齿动物90天重复剂量经口毒性研究等动物试验。这种监管分歧反映了各机构在证据要求上的不同裁量，但默认要求动物试验可能在无法提升消费者安全性的同时阻碍创新，尤其考虑到国际社会对3Rs原则（替代、减少、优化）的承诺。

传统风险评估方法，特别是全食物动物喂养试验，正面临根本性挑战。动物试验尤其是长期喂养试验资源消耗大、周期长、结果解读可靠性存疑，且涉及伦理争议。更为关键的是，培养食品的生产过程受到严格控制，细胞、投入物和工艺均有明确界定和密切监测，这使得最终产品的全面表征成为可能。当产品的成分和暴露情况已知且特征明确时，全食物体内试验的必要性便值得质疑。因此，本文旨在批判性评估体内毒理学研究在培养食品安全性评估中的适用性，并考察整合非动物和替代测试方法的证据权重框架能否提供稳健且比例相称的安全性评估方案。

二、研究内容与核心结论

研究人员系统论证了培养食品风险评估的现实路径。在危害与风险框架上，研究区分了危害的内在属性与暴露的可能性及程度，强调大多数培养食品中的危害已在传统食品中被充分表征。通过与传统食品的基线比较，研究从宏量营养素、微量营养素、残留物、过敏原性和污染物等多个维度建立了系统的评估框架。细胞系表征方面，研究强调物种身份确认、细胞类型验证和遗传稳定性监测的重要性，指出形态学分析、核型分析、转录组学、基因组学和蛋白质组学等非动物方法已在制药和生物技术领域得到成熟应用。残留物评估聚焦于培养基成分和支架材料，研究提出可通过安全使用历史、暴露边界（MoE）和毒理学关注阈值（TTC）等方法建立安全性证据。杂质评估方面，培养食品在受控环境中生产，污染和疾病传播风险显著降低，但仍需关注加工环境中的常规卫生风险。过敏原性评估则采用证据权重方法，结合生物信息学序列比对、模拟消化试验和IgE结合研究等手段。

研究人员进一步论证了全食物动物喂养研究的科学局限性：物种间低一致性降低了动物模型对人类健康的预测价值；全食物掺入动物日粮需经冻干和粉碎等加工处理，可能改变食品的营养和化学特性；为建立毒理学参考点而施加的不切实际的高剂量可能导致营养失衡或与人类真实暴露无关的不良反应；啮齿动物并非适应全肉饮食的物种，高水平动物蛋白摄入可能引发与人类饮食模式无关的生理反应。此外，全食物动物研究往往缺乏检测微小但相关毒理学效应的灵敏度，也难以将观察到的效应归因于特定成分。

国际监管先例方面，新加坡、美国、以色列和澳大利亚/新西兰在批准培养食品时均未要求全食物动物试验，而是强调成分可比性、遗传和产品稳定性以及投入物和残留物分析。欧盟虽无培养动物细胞产品的先例，但其分层评估方法根据产品成分和未知风险水平决定是否需要动物试验——截至2024年10月15日，EFSA发布的190份新食品意见中仅50份从毒理学研究（并非总是90天研究）中推导参考点。中国的新食品审批通常要求动物喂养试验，但采用分层方法，且会参考美国、欧盟等其他主要司法管辖区的审批状态。泰国和韩国目前明确要求动物毒性试验，但泰国产业界与泰国FDA正在讨论替代策略。

研究人员还分析了动物试验对创新和商业化的阻碍：90天啮齿动物经口毒性试验估计耗资213,400美元，耗时超过12个月。若每次培养基成分变更都触发新的动物研究，培养食品生产商将面临难以承受的资源压力。以美国FDA批准的培养银鲑为例，其评估过程中经历了多次培养基、生物工艺和终产品变更，FDA要求新的成分、毒理学和微生物学检测，但未强制要求动物研究，因为变更未引发新的安全性问题。

值得注意的是，研究人员通过一个匿名培养肉公司提供的、由第三方GLP认证实验室执行的90天重复剂量经口毒性研究案例，揭示了全食物动物研究的实际局限。该研究遵循OECD 408指南，在Sprague-Dawley大鼠中以1250、2500和5000 mg/kg体重/天的剂量经口灌胃给予培养细胞悬浮液91天，并设28天恢复期。结果显示各剂量组均未观察到毒理学显著或统计学显著变化，NOAEL确定为5000 mg/kg体重/天。然而，按常规100倍不确定系数外推至人类，得到的人体等效安全摄入量为50 mg/kg体重/天，即60 kg成人约3 g/天——这一理论摄入限值远低于全食物的现实膳食暴露水平，凸显了即使动物试验无不良效应，监管实践中的保守外推也可能产生不切实际的低摄入限值。

三、关键技术方法

研究人员在论证过程中主要涉及以下关键技术方法：成分分析方面采用高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、质谱（MS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等标准化分析方法，以及模拟消化的体外（in vitro）试验；细胞系表征采用DNA条形码、分子鉴定、核型分析、转录组学、基因组学和蛋白质组学技术；毒理学评估采用体外哺乳动物细胞微核试验（OECD TG 487）和哺乳动物染色体畸变试验（OECD TG 473），以及新兴的ToxTracker荧光报告细胞系；计算毒理学采用定量结构-活性关系（QSAR）、生理学基础动力学（PBK）模型（如EFSA的TKPlate平台）、毒理学关注阈值（TTC）方法和交叉参照（read-across）策略；过敏原性评估采用生物信息学序列比对和IgE结合研究。案例研究中的动物试验遵循OECD 408指南，由第三方GLP认证实验室执行。

四、研究结果

2.1 危害与风险框架：通过区分危害与风险，确立以传统食品为参照基线的证据权重评估框架，确保潜在危害按相关性和暴露程度进行比例相称的评估。

2.2 比较基线：传统产品为培养食品提供成分、残留物、杂质和营养价值方面的参照框架，通过结构化比较区分新危害与已知危害。

2.3 成分分析：宏量营养素（蛋白质、脂肪、碳水化合物）可通过HPLC、GC、MS等生化分析和体外模拟消化试验评估；脂质组成通过GC分析脂肪酸谱、过氧化物值和茴香胺值评估氧化稳定性；维生素和矿物质通过HPLC、ICP-MS定量，并对照膳食参考值和健康指导值解读。

2.4 细胞系表征：通过DNA条形码和分子鉴定确认物种身份，监测形态学、生长动力学和细胞标志物验证细胞类型，采用核型分析、转录组学、基因组学和蛋白质组学评估遗传稳定性。

2.5 残留物：培养基成分和支架材料可通过安全使用历史、MoE计算和TTC方法评估；代谢组学和全基因组测序（WGS）用于表征产品的遗传和代谢谱。

2.6 杂质：培养食品在严格无菌条件下生产，污染和疾病传播风险显著降低；收获后配方在标准食品制造环境中进行，常规卫生风险可通过既定食品微生物学方法监测。

2.7 过敏原性：采用证据权重方法，结合生物信息学序列比对、体外模拟消化和IgE结合研究评估潜在过敏原。

2.8 总结：所有潜在危害均可通过具有广泛使用历史的生化测定、体外测试或计算机模拟模型进行适当评估，从而减少食品安全机构要求动物试验的必要性。

3.1 全食物动物喂养研究的局限性：物种间低一致性、加工处理改变食品性质、高剂量导致营养失衡、啮齿动物不适应全肉饮食、缺乏检测微小效应的灵敏度、难以归因特定成分。

3.2 国际先例：新加坡、美国、以色列、澳大利亚/新西兰未要求全食物动物试验；欧盟采用分层方法，190份新食品意见中仅50份从毒理学研究推导参考点；中国采用分层动物试验方法并参考其他司法管辖区；泰国和韩国目前要求动物试验但正在讨论替代策略。

3.3 创新与商业化障碍：90天动物试验耗资约213,400美元、耗时超12个月；美国FDA批准培养银鲑的案例证明分层证据权重方法提供灵活性和科学稳健性。

3.4 可能需要体内试验的特定情况：当存在无安全使用历史、无可用毒理学信息且预期暴露显著的新型培养基投入物或表达蛋白时，可考虑对特定成分进行动物研究，但应作为现代证据权重评估的最后层级。

五、讨论与结论

研究人员指出，化妆品行业自1998年英国逐步禁止动物试验以来，通过将多种具有互补终点的体外测定整合为"定义方法"（Defined Approaches）并正式纳入OECD测试指南，成功证明新方法学（NAMs）可在不损害安全性的前提下替代动物试验。在食品领域，NAMs已被应用于培养食品的证据权重评估，包括使用交叉参照数据评估特定培养基物质、基因组学和转录组学评估细胞系稳定性等。新兴的ToxTracker等工具正在接受OECD验证。

研究仍存在若干关键缺口：检测和定量生长因子、消泡剂等生产投入物的分析方法尚未标准化；胎牛血清替代品的新配方仍需系统毒理学评估；新型蛋白质的过敏原性和免疫原性需要靶向研究；工艺变异性对产品成分和安全性的影响需要识别关键参数并开发生物标志物或化学指纹；NAMs在培养食品中的可靠性和相关性仍需进一步验证以获得监管接受。

研究结论指出，确保培养食品产品的安全性需要既科学稳健又与其潜在风险比例相称的评估方法。整合成分分析、暴露评估和NAMs的分层证据权重框架比统一要求全食物动物研究更为适当。目前，90天经口毒性研究对全培养食品产品的附加价值有限，因其成分复杂性使得难以将观察到的效应归因于特定成分，可能导致成本高昂但解读不可靠的结果，以及商业上不切实际的每日摄入限值。通过投入物、污染物或工艺相关物质的靶向评估，辅以体外和计算机模拟方法，可以获得更具信息量的见解。展望未来，证据权重方法的逐步验证和接受为证明培养食品产品的安全性提供了清晰路径，不仅能克服动物模型预测人类健康效应的局限性，还能实现更高效、创新友好、伦理负责且透明的安全性评估。