加利福尼亚大学河滨分校的研究人员是美国环境保护署(EPA)一项雄心勃勃的计划的一部分，该计划计划到2035年消除动物试验。他们的贡献：开发一种方法，可以使用实验室培养的方法测试化学物质是否引起肌肉骨骼的出生缺陷人体组织，而不是活体动物。

分子，细胞和系统生物学的副教授Nicole zur Nieden和环境毒理学的副教授David Volz都是关于监管毒性测试和化学品政策与监管的替代方法的专家。他们获得了849,811美元的资金，用于将人类干细胞培养成骨样组织，以测试可能干扰胎儿生长的工业和环境化学物质。

影响肌肉骨骼组织的出生缺陷可能是由农药，杀真菌剂，油漆和食品添加剂中的化学成分引起的。必须通过测试来识别有害化学物质，以便对其进行管理。当前，该测试是在活体动物上进行的，通常是啮齿动物，例如小鼠。

由zur Nieden领导的UC Riverside项目将刺激人类多能干细胞，该干细胞具有发展为任何类型细胞的能力，并具有引导它们形成骨细胞的作用。细胞将经历与人类胚胎相同的发育阶段，并受到相同的分子提示。研究人员将在关键时刻将细胞暴露于选定的化学物质，然后使用先进的成像技术和下一代测序技术对其进行评估。

骨细胞可以通过三种不同的途径发育。zur Nieden将使用已知会影响骨骼发育特定途径的化学物质寻找化学物质如何影响这些起源的模式。这些图案将用作测试未知化学品的蓝图。接下来，研究人员将测试未知的化学物质，并将其与先前已在动物中测试过的化合物库进行比较，以观察培养皿或体外测试对评估风险的准确性。

骨形成细胞的一个标志性特征是，它们由称为羟基磷灰石的小晶体构成骨基质，最终形成磷酸钙，即所有骨骼表面的白色物质。节省成本的可视化分析可以帮助识别钙中的缺陷。

用眼睛观看时，钙晶体显示为白色。但是，当您使用相衬显微镜观察培养物时，它会使光反转，因此正常晶体会显得黑色。异常的晶体将具有更多的白色和灰色阴影。您可以使用图像分析算法来测量图像中的黑度，以确定钙是否正确形成。

长期以来，科学家们都知道动物在重要的发育和生理方面与人类不同，并且动物测试结果并不总是对人可靠。此外，动物研究既昂贵又费时，并且出于伦理原因也变得越来越站不住脚。非动物替代品已经开发了近25年，其中一些已经成为标准。

沃尔兹说：“对公众来说，美国环保署的公告似乎是从无到有。”沃尔兹的实验室将对zur Nieden实验室化学暴露的骨细胞中的信使RNA进行测序，以寻找基因表达的变化。“这不是一夜之间发生的。那列火车已经离开车站了。

沃尔兹说，美国环保署的科学成就计划计划已经通过加州大学河滨分校获得了新的资助，这项计划已经为动物替代品的研究提供了十多年的资金。

EPA计划在2035年前结束动物测试，此举是对1976年颁布的《有毒物质控制法》(TSCA)进行的更早修订的结果。TSCA授权EPA监管消费产品中的化学物质，例如清洁剂，家具，油漆，地毯，服装和其他消费品。TSCA的法规不适用于食品，药品，化妆品和杀虫剂中的化学物质，这些化学品受不同法律的管制。

即使在TSCA之后，也从未对从塑料到防晒霜的各种材料中使用的数千种常见化学物质进行人体安全性测试。2016年，国会通过了《劳登伯格化学安全法》，对TSCA进行了修订，以弥补工业化学品的漏洞。法律授权EPA在明确和可强制执行的期限内评估现有化学品，并制定基于风险的化学品评估。它促进了非动物测试方法的使用，这是工业界和动物权利组织都在寻求的举措。

新的EPA计划引入了积极的时间表，以加快可准确预测人类毒性的非动物试验的开发。沃尔兹说，美国落后于世界上其他一些国家，这些国家已经大大减少了动物试验。他说，他与越来越多的对涉及动物实验的研究感兴趣的学生互动，而且我们的文化正在朝着减少动物痛苦的愿望转变。

但是Volz和zur Nieden都不确定动物试验是否可以完全取代，这一立场得到EPA备忘录的回应，该备忘录指出，在2035年之后，将逐案批准动物试验。例如，某些化学物质对细胞没有直接毒性，但在体内代谢后会变得有毒。

“如果您的结果是该化学物质不会干扰培养皿中人类干细胞的发育，那么您如何确定这不是真的发生在人类身上?我们必须评估的最佳方法是动物实验，” zur Nieden说。“与此同时，我们希望以适当的方式做到这一点。我们需要考虑，这真的有必要吗?我们可以换一种方式来看这个问题吗?”

zur Nieden认为我们需要一个分层的系统，体外测试首先要清除毒性最高的化学物质，而动物测试则需要在体外测试无法发现毒性的情况下使用。

“如果不能用体外方法完全替代动物试验，则至少可以减少动物的痛苦。如果您考虑一种对母体有高毒性的化学物质，对她在怀孕期间以及暴露在母体中的母亲有影响。在发育胚胎时，如果您可以使用体外测试系统找到所有这些强毒性化学物质，则无需在动物中进行测试。”

zur Nieden将用于新的肌肉骨骼研究的测试系统的先前版本已经能够以几乎100%的准确性识别其他组织(例如心脏组织)的胚胎毒性化学物质。