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世界各地有大量的化学品注册用于生产和使用。但由于时间、成本、伦理问题和监管限制，只有一部分的毒性得到了彻底的评估。

为了保障公众健康，美国环境保护署、美国食品和药物管理局和欧洲化学品管理局等组织的研究人员对人们可能大量接触的潜在危险化学品的安全性进行了评估。这些包括挥发性有机化合物，如甲醛，空气污染物，如二氧化氮，消费化学品，如双酚A，除草剂，如阿特拉津。最近，全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟丁烷磺酸（PFBS）等在环境中持续存在的“永久化学品”已成为人体毒性评估的重点。

工业上使用的数千种化学物质都没有经过彻底的测试。为了提高效率和成本效益，这些化学品被优先用于有针对性的测试。我是一名毒理学家，研究化学物质如何影响人类健康，特别是当它们造成有害影响时。更好地了解确定化学物质毒性的过程有助于使它们更安全。

化学品安全及毒性测试

从历史上看，研究人员通过使用生物分析或生物分析来测试化学品的安全性和毒性。这些试验包括让非人类动物——通常是啮齿类动物，如大鼠或小鼠——在受控条件下接触某种物质，以研究其生物效应，包括潜在危害。

不同类型的研究旨在分析化学物质的不同影响。这些影响包括直接影响，短期和长期接触的影响，以及生殖或发育影响。在动物身上使用生物分析的关键前提是，研究人员可以利用结果来帮助了解化学物质对人类的安全性。

然而，使用动物进行这些研究有很大的局限性。

首先，很难将从实验动物身上获得的结果外推到人类身上。实验动物与人在解剖学、生理学、生物化学和遗传学方面存在显著差异。在某些情况下，对人类剧毒的化学物质可能对其他物种相对无害。此外，即使在同一物种中，人体分解分子的方式也可能存在显著差异，而分解分子是确定化学物质毒性的关键过程。

在动物身上进行研究也很昂贵。例如，对一种农药进行全套毒理学测试的费用可能在800万至1600万美元之间。许多这样的研究需要很长时间来进行，有些需要长达两年的时间。

用动物来测试化学物质的毒性也存在伦理问题。许多政府机构和商业实体已承诺努力取代、减少或改进在研究和试验中使用动物。

研究人员正在开发一些方法来代替动物试验来评估化学品的安全性。这些方法通常被称为新方法方法论，旨在既与人类相关，又在科学上清晰。它们还寻求具有成本效益、快速和广泛适用的方法。

体外试验

体外试验包括将人体细胞或微生物等生物材料暴露于不同浓度的感兴趣的化学物质中。这些测试有几个好处，包括容易控制实验条件，适用于人，以及能够快速研究许多化学物质一次。环保署的ToxCast项目使用体外测试的数据来研究数千种化学物质。

有许多类型的体外测试，每一种都研究与毒性相关的特定质量。例如，细胞活力测定测量一种化学物质对细胞存活和生长的影响。遗传毒性试验评价一种化学品是否能损害遗传物质。受体结合试验评估化学物质是否能与细胞上的特定蛋白质相互作用并引发有害影响。

一种体外细胞模型是来源于实际组织或器官的器官型培养物。这些模型保留了原始组织的结构和功能特征。

其他的细胞模型来源于三维自组织的细胞。例子包括类器官和生物打印组织，它们可以被定制为代表特定的组织，如肝脏、皮肤和心脏。

微生理系统，或器官芯片模型，使用来自不同器官（如肝脏、心脏和肺部）的细胞的微型3D培养来模拟这些器官在体内的功能。通过这些模型，研究人员可以评估一种化学物质对多个器官的毒性，它是如何在体内分解的，以及它是如何引起疾病的。与特定器官模型相比，这项技术提供了一种更现实、更全面的方式来研究化学物质对人体的影响的可能性。

在化学分析中

化学分析是在试管或其他合成平台上检查化学物质如何与蛋白质、脂质或其他细胞成分相互作用的实验室测试或实验。它们非常适合研究化学相互作用的机制。

与体外系统相比，化学分析可以更快，更具成本效益。它们也可能在伦理上更受欢迎，因为它们不使用活细胞或组织。

然而，它们可能具有有限的生物学相关性，因为它们不能解释这些化学物质如何在活的有机体中起作用。它们也不适合研究化学毒性的许多方面，例如它如何影响细胞或身体的整体功能。

计算机方法

化学毒性的一个重要方面是弄清楚什么剂量的化学物质会引发不想要的副作用，或者它的药效学。另一个是有多少化学物质在多长时间内到达目标，或者它的药代动力学。

当一种化学物质的实验数据很少甚至没有时，研究人员通常依靠计算机模型或计算机方法。预测一种化学物质的剂量反应通常依赖于结构相似的化学物质会产生相似的生物效应这一观点。因此，如果研究人员有与感兴趣的化学物质结构相似的化学物质的数据，计算模型可以估计它将如何影响身体。

科学家经常使用所谓的基于生理学的药代动力学模型来预测药物如何在体内传播。这种方法用数学方法将身体分成不同的部分——比如肝脏、肾脏或血液——并根据化学物质的性质和身体的生理机能模拟化学物质如何在这些部分之间移动。其他计算机方法，如虚拟组织模型和定量不良后果途径，提供了关于化学品如何造成不良健康影响的额外信息。

计算机合成方法比传统方法有许多优点。它们更快、更高效，研究人员可以定制虚拟测试，以更精确地模拟否则无法进行的场景。计算机方法也很容易在实验室中复制，可以帮助填补数据空白。

然而，计算机方法也有一些缺点。这些问题包括有缺陷的模型准确性较低，需要实验数据来开发模型，以及缺乏标准来评估计算机模型是否足够可信，可以用来为监管提供信息。

监管验收

决策者仍在制定法规，以评估化学毒性动物试验的替代方案。这些规定因产品和机构而异。

例如，由38个成员国组成的经济合作与发展组织（oecd）已经发布了近100项评估化学物质对人类健康和环境影响的准则。

设立替代试验方法国际合作是为了促进化学毒性评估。该联盟内的许多伙伴组织正在努力确保替代方法在科学上合理、可靠并与人类健康和环境安全相关，并确保它们可用于在监管决策中取代动物试验。

有了明确的监管和全球合作，动物试验的替代方法可以帮助促进公共卫生、环境安全和合乎道德的试验做法。