广泛应用于医学、营养学等领域研究的动物实验到底有多不靠谱?

栏目:旅游资讯  时间:2023-07-29
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  传统观点认为,动物实验安全有效,可为人类生物学和疾病研究提供可靠模型、获取相关知识,是造福于人类的必要科学实践。然而,越来越多的科技文献对动物实验(尤其是动物模型)的有效性进行了批判性评估,其可靠性、对人类生理与病理的预测价值也遭到了前所未有的质疑。在许多领域,动物实验不仅充满了误导性,而且非常危险,有时甚至会对人类造成严重伤害。动物实验产生的成本以及对人和动物造成的伤害远远超过了其潜在好处,有限的人力物力财力更应该投向直接基于人类的实验方法。

  截至2005年,全世界每年有超过1.15亿只动物被用于各种实验[1] 。动物实验分为两大类,一是基础类实验,主要用于获取与生物学和人类疾病相关的基础知识;另外一类是应用型实验,主要用来研究药物或疗法的有效性、毒性和安全性等。不管如何分类,动物实验的主要目的是为人类生物学与健康科学提供信息,并提升治疗方法的安全性与有效性。尽管动物实验占用了大量资源,但动物所遭受的苦难、相关实验对人类健康带来的负面影响以及动物实验的有效性等问题却很少受到系统审查[2] 。

  众所周知,医学应以证据为基础,但以提升人类健康为目的的动物实验往往没有遵循这一准则。在实践中,动物实验通常被视为临床前测试(preclinical testing)的最高标准(gold standard),有效性从未经过严格检查。2008年发表的一项关于支持动物实验的调查认为,动物实验似乎并不是生物医学研究的一个必经步骤,同时对其预测价值提出了怀疑[3] 。动物实验对人类结果(human outcomes)的预测效果很差[4] ,在许多疾病领域均是如此[5] 。动物实验不仅不靠谱,也给人和动物造成了不必要的伤害[6] 。

  尽管动物实验的局限性已日益凸显,但生物医学界的许多人仍然相信这些问题是可以克服的[7] 。但是,实验室环境与其他变量对研究结果的影响、动物疾病模型与人类疾病之间的差异、以及生理和遗传上的物种差别等因素,决定了动物实验不可能对人类结果做出准确的预判。

  实验室可对动物的生理和行为产生难以控制的影响,从而“歪曲”实验结果。受试动物往往被安置在人工环境中,通常是在没有窗户的密闭房间里。圈养和生物医学实验室的共同特征 - 人工照明、源自人类的噪音和限制性居住环境 - 可抑制物种的自然举动,导致动物痛苦及异常行为[8] ,比如传染性焦虑[9] 。当猴子看到其他猴子被抽血时,可的松(cortisone)水平会上升[10] ;当老鼠看到同类被斩首时,血压和心率都会升高;当从笼子中被拽出时,动物的压力指标(stress markers)也会显著而持久地上涨[8] 。这些由实验室程序和环境引起的压力相关生理参数变化会对测试结果产生重大影响。例如,处于压力状态下的大鼠会出现慢性炎症和肠漏等症状,增加可能混淆实验数据的因素[11] 。

  实验环境还会引起神经化学、基因表达和神经再生等变化[12] 。在一项研究中,经过基因改造的小鼠产生了主动脉缺损,不过,当这些小鼠被关在更大的笼子里时,这些缺陷几乎完全消失了[11] 。实验室中的噪音会损伤动物的血管,就连铺在实验室中的地板也会影响药物在动物身上显现出来的疗效[12] 。

  为了消除各种混杂因素,一些研究者呼吁标准化实验室设置与相关程序[13] ,但效果难尽人意[14] 。在所有行为测试中,不同小鼠品种表现出来的差异十分显著,在某些测试中,基因差异大小甚至取决于特定实验条件。总而言之,特定实验环境与程序对实验结果所产生的影响很难消除,有时甚至是不可能的,而这些影响可能会混淆研究结果,并阻碍实验结论类推及人。

  动物模型和人类疾病之间缺乏一致性是将实验结果应用于人类的另一个重要障碍。在动物身上模拟人类疾病非常困难,所以动物模型实用价值不高[15] 。就算严格按照标准来设计和实施动物实验,也无法将实验结果“翻译”成对人类有益的临床应用,因为动物实验模型与人类生理之间的差异实在是太大了[16] 。

  例如,医学界对中风的病理了解得还算比较透彻,但还是无法在动物身上准确地模拟这种疾病。为了解决这个难题,很多研究人员称需要采用更加标准化的动物研究设计规范,比如参与实验的动物必须两种性别都要有,来自不同的年龄段,带有与人类患者近似的症状且在服用同样的药物[17] 。早在1999年,医学界就出台过一套名为STAIR的指导方针,用于规范动物中风实验的设计与实施,以提高这类实验对人类的适用性[18] 。NXY-059是当时最具前景的中风治疗药物之一,在严格按照STAIR规范设计实施的动物实验中也被证明是有效的,但这种药物对人不管用。除了STAIR外,业界还推出过其他不少类似的规范,但没有哪一个规范在促进动物研究成果转化方面产生过积极影响[19] 。

  在动物实验中被证明有效的药物为什么对人没用其实很好理解,因为同样的药物会对不同的物种产生不同的影响。没有任何证据表明雌性老鼠、狗或猴子能够充分再现人类女性的生理。在动物身上复制中风症状和复制中风病理一样困难。例如,自然界中的大多数动物根本不会出现动脉粥样硬化(导致缺血性中风的主要原因),为了在动物身上模拟这种症状,研究人员只能用镊子之类的工具夹住动物的动脉血管或直接将血块植入其中。但是,这些干预并不能复制动脉粥样硬化的复杂病理及病因,另外,在动物身上再现诱发性疾病(predisposing disease)也是一个巨大的挑战。如果无法在动物身上精确再现人类疾病,那么通过动物实验来开发药物注定会失败。114项在动物实验中被证明有效的中风治疗方案,都没有通过针对人类进行的临床实验[20] 。

  除了中风外,针对癌症、肌萎缩侧索硬化(Amyotrophic Lateral Sclerosis,简称ALS)、创伤性脑损伤(Traumatic Brain Injury,简称TBI)、阿尔茨海默氏症(Alzheimer's Disease,简称AD)以及各种炎症性疾病进行的药物开发也用到了动物模型,但绝大多数努力均以失败告终。在动物身上人工诱导产生肿瘤,是研究癌症发病与传播机制、评估新疗法的标准做法。遗憾的是,这种动物实验模型无法真实再现人类致癌的复杂过程,所以,借助动物实验开发癌症治疗药物鲜有成功案例,失败率在所有类别疾病当中是最高的[5] 。分析表明,在小鼠身上模拟出来的ALS模型与人类ALS存在巨大差异[21] ,动物ALS模型根本无法预测特定治疗方案可能对人类产生的影响[22] 。20多种治疗ALS的药物在临床实验中败下阵来,只有Riluzole通过了美国食品和药物管理局(FDA)的审查,但这种ALS治疗药物在帮助患者生存方面所起的作用可以说微乎其微[23] 。动物模型也无法再现人类TBI的复杂性[24] ,27项大型三期临床实验以及6项未公开发表的TBI实验,均未发现对动物有效的治疗方案对人有用[25]。同样地,在动物实验中被证明有效的172种AD[26]治疗药物以及150种治疗炎症性疾病[27]的药物,都没有通过最后的临床实验。

  不管是针对哪种疾病,借助动物模型开发出来的药物基本上都不能通过临床验证。这说明在动物身上模拟人类疾病根本就行不通,换句话讲,动物模型的预测能力很差[28] 。于2007年发表的一篇系统综述,将头部损伤、呼吸窘迫综合征(respiratory distress syndrome)、骨质疏松症(osteoporosis)、中风和出血等疾病或症状[2]的动物实验结果与临床实验结果进行了比较。研究发现,人类实验和动物实验得出的结论只有一半时候是一致的。换句话说,用动物实验来预测干预措施是否对人类有益的可能性,跟掷硬币没有本质区别。 新药研发上市流程

  2004年,FDA估计有92%通过了临床前测试(Preclinical Testing,动物实验)的药物都未能获准上市,其中一些药物曾被业界寄予厚望[29] 。最近的分析表明,科学家们为了提高动物实验的预测精度付出了巨大努力,但失败率不降反升,现在已接近96% [5] 。失败的主要原因是动物实验缺乏有效性以及无法预测的安全问题[5] 。

  通常情况下,当某个动物模型被发现有缺陷时,研究人员总会给出各种各样的理由来解释,比如方法有问题、发表偏倚(publication bias)、缺乏疾病和药物先例、错误的性别或年龄等等。这些因素当然需要考虑,但只有充分认识到动物模型和人类疾病之间的每一个差异,才能真正地消除误差、提高精确度,也只有这样,科学才会取得进步。遗憾的是,虽然科学家们付出了巨大努力来提高动物实验的有效性,但药物实验和开发的失败率仍然居高不下,这表明动物实验存在无法克服的先天性缺陷,不大可能产生与人类疾病相关的有用信息。

  就算动物模型和人类疾病之间存在高度的一致性,但物种间的生理学、行为、药代动力学(pharmacokinetics)和遗传学差异仍会拉低动物实验的可靠性。例如,在脊髓损伤药物开发过程中,由于不同物种(species)- 甚至同一物种的不同品系(strain)- 在神经生理学、解剖学和行为等方面存在差异,所以药物测试会出现不同的结果[15] 。脊髓损伤微观病理(micropathology)、损伤修复机制以及损伤恢复在不同品系的大鼠和小鼠之间呈现出巨大的差异。一项系统综述发现,即便采用了最先进的动物实验,评估甲基强的松龙(methylprednisolone)脊髓损伤疗效的测试因物种不同而出现了不同的结果[2] 。这表明,动物实验的固有特征决定了药物测试必然会出现差异化的结果。

  即使购买自不同供应商的同一品系大鼠也会产生不同的测试结果[30] 。在一项研究中,11个不同品系的小鼠对12种疼痛敏感性(pain sensitivity,脊髓损伤的重要标志之一)行为测量做出了不同反应,而且每种小鼠的反应还没法预测[31] 。这些差异也影响到了动物对损伤以及实验疗法的反应。一种药物也许可以帮助某种老鼠恢复健康,对另一种却不管用。尽管使用了几十年的动物模型,但迄今为止,没有哪一种在动物实验中被证明可以改善脊髓损伤的神经保护剂(neuroprotective agent)通过了临床检验[32] 。

  2013年的一项研究进一步证明了物种间生理差异的重要性。据该研究称,广泛用于研究败血症、烧伤、感染及创伤等炎症性疾病的小鼠模型具有误导性。该研究发现,老鼠对炎症做出的反应与人类有很大的不同,二者被打开或关闭的基因,以及基因表达和持续时间等方面也存在差异。甚至不同的小鼠模型也会有不同的反应。研究人员得出结论:“我们的研究表明,与其依赖小鼠模型来研究人类炎症性疾病,不如把精力直接放在人类身上”[27] 。药物开发失败率之所以居高不下,是因为人和老鼠的基因反应(genetic response)存在巨大差异。研究人员指出,在150项临床实验中,没有哪一种用来阻断危重患者炎症反应的候选药物通过了测试。

  相同基因的调控(regulation)也有明显差异,这一点可以通过观察人类与老鼠肝脏之间的区别清楚地看到[36] 。通过修改同一基因很难获得一致的表型(phenotype,可观察到的身体或生化特征),即使在不同的小鼠品系之间也是如此。不同物种的基因调控存在很大区别,这也许与特定基因是否存在一样重要。尽管基因组保存(genome conservation)度高,但不同物种的基因顺序和功能存在着重大差异。打个比方,正如所有钢琴都有相同的按键一样,人类和其他动物的绝大多数基因也是相同的,二者最大的区别在于基因排列顺序。例如,在同一架钢琴上按照不同的顺序按下琴键,可以演奏出肖邦(Chopin)、雷·查尔斯(Ray Charles)或者杰瑞·李·刘易斯(Jerry Lee Lewis)的曲子。换句话说,不同物种所包含的基因其实都是一样的,只是排列顺序不同。

  科学家们非常清楚这一点,所以,为了提高动物实验的有效性,他们用到了转基因技术,将人类基因插入到受试动物的基因组当中。但由于受到动物特有生理机制的影响,植入到转基因动物中的人类基因,功能和人身上的相同基因完全是两码事儿。例如,老鼠体内缺少一种控制人类血糖的蛋白质[33] ,当产生这种蛋白质的人类基因被插入到转基因小鼠身上时,可导致后者血糖失控。使用转基因小鼠也不能模拟人类疾病,很多种疾病的药物研发也用到了转基因技术,但都以失败告终[34] 。基于转基因技术的动物模型并不比其他动物模型更有效,毕竟插入了“人性化”基因的动物与人还是有着天壤之别。

  为了达到更好的人类疾病模仿效果,科学家们也用到了非人类灵长类动物(Non Human Primates,简称NHPs)。但这项努力也是徒劳的。例如,NHP模型无法在功能和病理上再现帕金森病(Parkinson's disease)的主要特征[35] ;几种借助NHPs和大鼠模型开发的帕金森病疗法对人没有任何作用[36] ;主要用于预防妇女心血管疾病且风靡一时的荷尔蒙替代疗法(Hormone Replacement Treatment,简称HRT)也是基于NHPs模型开发出来的,但后来被证明反而会增加妇女的患病风险[37] 。

  耗资巨大、历时数十年的HIV / AIDS疫苗研究也用到了NHPs模型,也没有成功。90余种在动物身上有效的艾滋病毒疫苗对人没有任何作用[37] 。例如,gp120这种在黑猩猩身上呈现出积极效果的HIV疫苗没有通过临床实验,英格兰医学杂志(BMJ)的一篇文章对此评论道,NHPs和HIV患者之间的明显差异,把研究人员带上了错误的道路[5] 。gp120虽然不能消灭细胞培养皿中的HIV,但由于血清能保护黑猩猩免受艾滋病毒感染,研究人员接着展开了两项三期临床实验[38] 。虽然一个成功案例都没有,但NHP模型仍被广泛用于艾滋病毒研究。

  对NHP模型的“迷信”也给人类带来了不少麻烦。例如,因为研究者对NHP模型表现出来的盲目自信,参与gp120临床实验的志愿者被置于不必要的伤害风险之中;两项涉及数千名接受激素替代疗法(HRT)绝经妇女的大型研究,由于中风和乳腺癌风险增加而提前终止[39] ;2003年,Elan制药公司被迫提前终止一项2期临床实验,因为实验中用到的一款AD疫苗,虽然在转基因小鼠或NHPs中未检测到明显的不良反应,却会导致人类受试者脑肿胀[40] 。

  2006年,6名人类志愿者在注射了免疫调节药物TGN 1412几分钟后,产生了由致命细胞因子风暴(cytokine storm)引起的严重不良反应,所有受试者均出现了全身性器官衰竭[41] 。这种化合物被设计用来抑制免疫系统,但对人类有害。在进行人体实验之前,TGN 1412在小鼠、兔子、大鼠以及NHPs中都进行了测试,均没有产生不良反应。在毒性测试过程中,NHPs连续四周摄入500倍于人类剂量的TGN 1412,没有一种NHP表现出人类受试者在摄入少量该药物后立即出现的不良反应[42] 。实验之所以用食蟹猴(Cynomolgus monkey)和恒河猴(rhesus monkey),是因为这两种动物的CD28受体表现出与人类CD28受体类似的TGN 1412亲和力。基于这样的数据,研究人员满怀信心地得出结论,从NHPs身上观察到的药物反应同样适用于人类,但事实证明,该结论是一个灾难性的错误。

  上述艾滋病毒 / 艾滋病研究、TGN 1412以及其他类似的研究[43]表明,NHPs实验的预测价值并不一定比其他动物实验更高。如果针对黑猩猩等人类近亲进行的实验都是不可靠的,用其他动物进行的研究能有多靠谱呢?所以,无论使用哪个物种或研究模型,动物实验都是极其不可靠的。

  越来越多的研究表明,物种之间的差异远远超过了相似之处。这些重要的差异很可能就是人类临床实验屡屡失败的主要原因之一[4] 。 充分认识物种之间的差异,是将动物实验结论外推到人类的必要条件。但在实践中,我们应该如何考虑物种及物种品系在药物代谢、遗传学、疾病表达、解剖学、实验室环境等方面表现出来的生理机制差异,并根据这些差异辨别哪些动物实验结论才适用于人类呢?如果我们连适用于人类的物种与物种品系生理机制都不能确定,那么就必须要质疑动物实验的有效性。

  有人认为,从动物实验中获得的知识总比什么都没有的好[44] ,但他们似乎忘了,从动物实验中获取的误导性信息给人类带来的后果有可能是灾难性的。使用动物实验至少会给人类带来两方面的麻烦,一是产生误导性的安全及有效性相关数据,二是可能错失真正有用的医疗手段。

  人类因动物实验的误导性受到了很多伤害。来自动物实验的非精确结果,可能导致带有生物学缺陷甚至有害物质的临床实验,使患者面临不必要的风险,浪费稀缺研究资源[45] 。动物毒性研究不能精准地预测药物可能对人类产生的毒性[46] 。在之前提到的中风、HRT以及TGN1412等实验中,临床实验志愿者被研究人员对动物实验安全性及有效性的盲目自信误导[47] ,产生了一种虚假的安全感,受到了巨大的伤害。

  因为动物实验的误导性,科学家们也错过了不少机会[43] 。药物开发通常先在动物身上进行,能否进入临床实验阶段在很大程度上取决于动物实验结果[48] 。如果动物实验失败,药物开发即告终止,不会进入临床实验。由于许多制药公司的临床前测试数据不会对外公布,所以很难估算因动物实验的误导性而错失的机会数量。每开发5000 - 10000种药物,最终只会有1种进入临床实验的第一阶段[49] 。很多治疗方法可能会因为动物实验结果不适用于人类而被放弃[43] 。因物种特异性影响而在动物身上无效或有副作用的治疗方法,可能会在临床前实验阶段就被放弃。但是,如果继续进行开发,这些治疗方法说不定对人类既有效且安全。

  《自然评论药物发现 - Nature Reviews Drug Discovery》的一篇社论讨论了两个物种特异性影响药物开发的案例。他莫西芬(tamoxifen)是治疗某些类型乳腺癌最有效的药物之一,会引起大鼠肝脏肿瘤,但这个作用在该药物上市多年后才被发现。如果在动物实验阶段就被发现,该药物可能永远都上不了市[50] 。格列卫(Gleevec)是一种用来治疗慢性粒细胞性白血病(Chronic Myelogenous Leukemia,简称CML)的药物,在临床前测试阶段,至少有5种动物都出现了严重的副作用,服用了该药物的狗甚至表现出严重的肝脏损伤症状。不过,针对人体细胞进行的实验以及针对人进行的临床实验,都没有检测到明显的肝毒性[5] 。格列卫是一个直接基于人类实验开发出来的成功药物。诞生过程与格列卫类似的药物还有很多,比如已安全使用了数十年的阿司匹林(aspirin)和青霉素(penicillin)。如果严格按照现行动物实验监管要求进行药物开发的话,这些药物可能永远都不会面世[51] 。

  环孢霉素(cyclosporine)是另一个险些因动物实验而错失面市机会的例子,这种药物主要用于治疗自体免疫疾病(autoimmune disease)及防止因器官移植引起的排斥反应。在临床前测试阶段,其免疫抑制作用在不同物种之间显示出巨大的差异,研究人员曾以为该药物不可能用来治疗人类疾病。据PharmaInformatic发布的一份报告称,阿立哌唑(Abilify)、埃索美拉唑(Nexium)等热门药物也曾在动物实验阶段显示出较低的口服生物利用率(oral bioavailability)而险遭弃用。如果只依靠动物实验,这些药物今天可能就买不到了。在这份报告中,PharmaInformatic问道: “如果不采用动物实验这种手段来开发甄选药物,当今的市场上还会出现哪些重磅产品? [52]” 。前述那些几乎与人类“擦肩而过”的药物以及高达96%的临床药物实验失败率表明,将动物实验作为人体临床实验的先决条件是错误且不明智的,医学研究与药物开发必须采用以人为本(human-based)的方式方法。

  使用无效的动物疾病模型不仅可能错失有用的治疗方法,还可能使科研工作者及整个行业走入歧途,浪费宝贵的时间和金钱[53] 。从动物实验中采集到的信息屡屡被证明是错误的,研究人员一次又一次地被引诱走上错误的研发道路。有些人声称,我们不知道动物实验 - 尤其是基础研究 - 会在未来带来哪些好处。但是,人类亟需有效的治疗方法,资金必须投向最有前途的研究领域。

  继续资助不可靠的动物实验将阻碍开发出更准确的实验方法,在实验室培育的人体器官、芯片上的人体器官、认知计算技术、人体活体组织的3D打印以及人类毒物组学项目(Human Toxome Project)等以人为本的新技术正在蓬勃发展。与动物实验相比,这些临床前测试方法能更好地模拟人类生理与病理,消除从其他物种生理数据外推至人类过程所带有的弊端。与传统体外(in vitro)技术相比,这些方法基于更加系统全面的生物学。然而,这些技术目前仍处于相对初级的发展阶段,需要优先支持。开发以人为本、预测能力更强的系统与化学毒理学生物测试方法最近所取得的进展,很好地体现出这一发展趋势[54] 。但是,除了毒理学研究之外,其他以人为本的技术研发所获得的投资仍远远低于动物实验[55] 。

  动物实验的局限性正日益凸显。动物和人类具有许多生理与心理学上的相似性,动物也会感到疼痛与恐惧[56] 。无数的证据表明,由于人类与其他动物之间存在着巨大的生理和遗传差异,用动物实验来研究人类疾病、疗法或药物这条路根本就走不通。在绝大多数生物医学研究实践中,不论是哪种动物模型或动物实验,都不能起到预测人类临床结果的作用,人类经常遭受本可以避免的重大伤害。

  动物实验的不可靠性及其对人类和动物造成的伤害,对动物实验的必要性以及相关伦理提出了强烈质疑。动物研究的成本与危害,远大于其给人类健康带来的益处[57] 。从错误的地方寻找答案,进而剥夺人类资源、机会、希望甚至生命的做法真的具有伦理正当性吗?把有限的人力物力财力投向基于人类的技术会不会更好?Estimates for worldwide laboratory animal use in 2005Lost in translation: treatment trials in the SOD1 mouse and in human ALS || Animal studies in spinal cord injury: a systematic review of methylprednisoloneMedical progress depends on animal models - doesn't it?Are animal models predictive for humans? || Are animal models as good as we think?Alternative approaches for medical countermeasures to biological and chemical terrorism and warfare || Inflammatory findings on species extrapolations: humans are definitely no 70-kg mice || Lost in translation: animal models and clinical trials in cancer treatment || Pippin: Animal research in medical sciencesBeauchamp: The Oxford handbook of animal ethicsPROGRESS TOWARD IMPROVING ANIMAL MODELS FOR IPFMorgan: Sources of stress in captivity || WARNIK: Translational Neuroscience and Its Advancement of Animal Research Ethics || Stereotypic and self-injurious behavior in rhesus macaques: a survey and retrospective analysis of environment and early experience || Laboratory routines cause animal stressBiology and Diseases of RatsEffect of Room Arrangement and Blood Sample Collection Sequence on Serum Thyroid Hormone and Cortisol Concentrations in Cynomolgus MacaquesToo stressed to workAnimal models in spinal cord injury: a reviewPooling of animal experimental data reveals influence of study design and publication biasGenetics of mouse behavior: interactions with laboratory environmentBench to bedside: the quest for quality in experimental stroke researchCan Animal Models of Disease Reliably Inform Human Studies?How can we improve the pre-clinical development of drugs for stroke?Update of the Stroke Therapy Academic Industry Roundtable Preclinical RecommendationsShould the STAIR criteria be modified for preconditioning studies?1,026 experimental treatments in acute strokePreclinical research: Make mouse studies workNeuroprotective agents for clinical trials in ALS: a systematic assessmentSinha: Another blow for ALSExperimental models of traumatic brain injury: do we really need to build a better mousetrap? || Animal models of traumatic brain injuryClinical trials in traumatic brain injury: Past experience and current developmentsClinical trials and late-stage drug development for Alzheimer’s disease: an appraisal from 1984 to 2014Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseasesThe importance of using human-based models in gene and drug discoveryMore compounds failing Phase I | The Scientist Magazine? 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