從動物實驗到生物模式，看見3R科技的新方向
——專訪國家生物模式中心秦咸靜主任 談替代試驗、器官晶片與未來研發模式
訪談人／李翎竹秘書長
本文作者／黃靖嵐研究員
1959年英國學者提出3R原則，包含替代（Replacement）、減量（Reduction）與精緻化（Refinement）。當時生命科學大量使用動物實驗，許多重要研究成果也來自動物模式，因此科學家開始提醒研究者，若研究必須使用動物，就應該盡量減少不必要的使用，並把實驗流程做得更好。
到了近十年，人工智慧、3D細胞培養、類器官、器官晶片與體外測試系統逐漸成熟，3R的討論也有新的背景。研究人員開始思考，是否能先用更接近人體的方式做初步測試，在研發早期發現藥物或產品的問題，再把動物實驗用在真正需要觀察全身反應的階段。
🎧 歡迎收聽本集Podcast，聽國家實驗研究院國家生物模式中心秦咸靜主任，從3R的歷史談起，說明替代試驗科技如何改變生命科學研究，也談臺灣在這波新試驗技術發展中的機會與挑戰。
秦咸靜主任長期投入實驗動物、生物模式與替代試驗科技推動。她所在的國家實驗研究院國家生物模式中心，過去與實驗動物資源密切相關，近年將工作範圍延伸到電腦模擬、體外模式與動物模式整合。這樣的工作經驗，使她看待3R時，不只從動物福利出發，也會回到研究方法、試驗品質與國家科研基礎建設來思考。
3R的重點，從動物照護延伸到試驗方法更新
早期3R出現的背景，是動物實驗大量增加。秦主任提到，當時科學家希望研究者在使用動物時，能盡量減少動物痛苦。能用不那麼痛的方法，就不要使用更痛的方法；一隻動物足夠，就不要使用十隻；實驗流程也要盡量做好。
她也提到，早期3R最容易落實的，其實是精緻化。因為在既有實驗設計下，要完全不用動物，或大幅減少動物數量，並不容易。相較之下，改善操作技術、照護流程與實驗安排，是比較能立即執行的方向。
近年重新談3R，意義已經改變。新的科技讓研究者有機會用非活體方式模擬部分人體反應，例如以更複雜的細胞培養系統觀察器官反應，或用人工智慧與電腦模擬協助判讀。秦主任認為，這也是3R在近年重新受到重視的原因：它已經不只是動物福利議題，也涉及未來醫療與試驗品質。
她在訪談中說明：「如果我們可以在體外重建一個人的替身，它一定是最準的。」這裡所說的「人的替身」，並不是完整複製一個人，而是在體外建立更接近人體反應的試驗系統。也就是說，替代科技希望讓研究人員不只依靠動物實驗推估人體反應，也能用更多方法取得與人體相關的試驗資料。
類器官與器官晶片，讓人體反應有機會在體外重現
過去常見的細胞培養，多半是在平面上培養2D細胞，但人體器官不是平面結構，細胞之間也不會孤立存在。當細胞培養進入3D結構，並加入多種細胞使細胞之間能夠互動，就有機會模擬部分器官功能。這類微小化的3D細胞組合，就是類器官。
秦主任指出，類器官能呈現較多細胞互動，因此適用於早期藥物篩選。臺灣已有不少團隊投入幹細胞與類器官研究，下一步需要讓培養條件、細胞來源與操作流程更穩定，才有利於更多研究團隊使用。
如果說類器官處理的是「細胞不能只看平面」的問題，器官晶片進一步處理的，則是「細胞需要生理環境」的問題。人體中的細胞不會靜止存在，肺泡會隨呼吸伸縮，腎臟細胞會接觸液體流動，不同器官中的細胞也會受到血流、壓力或剪力影響。若體外培養系統不能提供這些環境訊號，細胞就不容易長成成熟狀態，也不一定能產生完整功能。
器官晶片的目的是利用工程方法，把細胞在肝臟、腎臟或其他器官中所處的環境盡量模擬出來。透過微流道、材料、感測與控制系統，細胞能在更接近體內的條件下生長。當細胞活得更久、功能更完整，研究人員才有機會建立更可信的體外試驗模式。
類器官與器官晶片各有適合的位置。類器官成本較低，適合早期大量篩選；器官晶片系統較複雜、成本較高，較適合高階藥物篩選或疾病模型。秦主任提醒，現階段器官晶片比較可能先和動物實驗互補，一方面減少動物使用，一方面增加試驗準確度。
動物實驗仍有重要性，但使用方式會改變
發展替代科技並不代表動物實驗會立即消失。秦主任指出，動物實驗仍可觀察藥物進入體內後，不同器官之間如何產生連動反應，例如研究人員原本想測試感冒藥，但藥物進入體內後，副作用可能出現在腎臟或其他器官。這類全身性反應，目前仍不容易只靠單一細胞或體外系統完整呈現。
因此，未來改變的不是「要不要動物實驗」這麼單一的問題，而是研究人員如何安排不同試驗方法。以新藥開發為例，傳統流程常是先找到候選藥物，再經過小鼠、大型動物，最後進入臨床試驗；但到了臨床二期，仍可能因副作用或藥效不足而失敗。這時已經投入大量時間與經費，失敗代價很高。
新的試驗模式希望讓問題更早被發現。未來研究人員可能先由AI協助篩出候選藥物，再用人的細胞、類器官或器官晶片觀察反應，排除不適合繼續開發的項目；留下較有潛力的候選藥物後，再進入動物實驗，確認全身性副作用。換句話說，動物實驗不會馬上消失，但使用次數與使用情境可能會減少，並集中在目前其他方法還無法回答的問題上。
對研發者而言，新的方法也不能只看單次試驗成本。更重要的是，它能不能讓問題早一點被發現，減少後期研發失敗造成的時間與經費損失。這也是替代試驗科技對新藥開發的重要意義。
發展器官晶片，需要同步推進生醫與工程
替代試驗科技需要許多能力共同配合。以器官晶片為例，前端需要細胞來源、幹細胞分化、生物水膠（註1）與培養技術；中段需要微流道、動態培養、流速控制與微控制系統；後端還需要光學、感測、訊號收集、資料整合與AI判讀（註2）。
這些能力原本分散在不同領域。生醫研究者知道要回答什麼問題，工程團隊能設計晶片與控制系統，光機與感測技術協助觀察細胞狀態，資料與AI團隊則負責處理大量訊號。秦主任指出，器官晶片要真正發展，必須高度跨域整合。
臺灣在精密製造、微流道、感測、半導體、ICT與AI方面有基礎，但秦主任也提醒，臺灣並不是最早投入器官晶片的國家，時間也不算寬裕。臺灣的機會，在於相關工程、製造、感測與資料技術都能在本地找到合作對象。若能把這些團隊快速接起來，才有機會發展出自己的產品與服務模式；否則最後仍可能只能購買國外系統。
國研院目前也以跨中心方式推動器官晶片專案。秦主任提到，國家生物模式中心與國家儀器科技研究中心合作光機整合與產品設計，並與半導體研究中心合作腦晶片、訊號收集與感測，也和國家高速網路與計算中心合作資料與AI系統。這項工作希望建立基礎器官晶片平台，讓更多生醫研究者有機會使用，也讓AI、ICT與生醫有更實質的整合場域。
不過，器官晶片目前仍面臨量產與規格整合挑戰。現在市售產品不多，價格也高，各家規格差異大。秦主任以信用卡作比喻，信用卡不管由哪一家廠商製作，大致都能進入同一台機器，但器官晶片還沒有形成這樣的共通規格。不同團隊、不同國家各自發展，產品樣貌與使用系統也不同。
因此，臺灣若要發展自己的替代試驗工具，需要先找出有潛力的產品，再依照微流道、感測、光學、水膠等領域整合技術。公部門可以協助促成跨域合作，也能提供開放式服務場域，讓研究者與廠商有機會試用、修正與導入。
技術要進入法規，還需要可信資料
替代科技能不能真正進入產業應用，不能只看技術本身。秦主任提醒，任何測試方法最後都要產出一份可信的報告。無論使用動物、體外試驗或AI模型，真正重要的是方法是否合理、資料是否可信、實驗設計是否能支持結論。
她也從動物實驗的經驗提醒，若研究人員沒有遵守嚴謹的實驗設計、樣本選擇、統計方法與報告規範，結果就可能失去可信度。替代方法面對同樣問題，甚至需要更細緻的控制。因為器官晶片、類器官等系統的尺度更小，實驗條件更複雜，細胞來源、細胞組成、流速、培養條件與異常值處理，都需要清楚交代。
秦主任說：「如果實驗設計沒有改變，替代測試方法也不見得會成功。」這句話很重要。替代科技不是換一個工具就能保證試驗結果更好。研究人員必須同步提升實驗設計與資料判讀能力，才能讓新工具發揮作用。
她也提醒，器官晶片不能被理解成「買了新設備，實驗就會變準」。它比較像更高階的細胞培養系統，真正影響結果的，仍是細胞來源、細胞組成、流速設定、劑量控制與資料判讀。換句話說，替代科技提高試驗可能性，但也要求研究人員把每一個實驗條件說清楚、做穩定。
目前較容易落地的替代方法，多出現在法規已經調整的測試項目。例如皮膚刺激性、眼刺激性與腐蝕性等局部傷害試驗，已有機會改用體外3D細胞模型，不必使用兔子等活體動物。化學品、化粧品、農藥等領域，若法規允許使用替代方法，市場才有機會打開。
另一些方法則可先在研發階段使用。秦主任提到，有些方法本來就屬於研發早期工具，例如斑馬魚、果蠅、細胞培養或類器官，只要能協助研究團隊先做篩選，就能減少後續不必要的動物實驗。
臺灣選擇跨部會平台，整合創新、法規與人才
談到臺灣推動3R的方式，秦主任指出，國際上常見的3R中心大致可分為兩類。一類是教育推廣中心，負責讓研究者理解3R、知道可用資源；另一類是驗證中心，協助新方法通過驗證，讓法規單位願意接受方法或報告。
臺灣經過討論後，並沒有單純走成立單一3R中心的路線。秦主任認為，臺灣各領域規模相對較小，單一實體中心未必能處理所有需求。因此，目前採取跨部會平台方式推動，由創新、法治與人才三條路線並進。
創新路線支持新興替代方法研發，法治路線檢視各部會中涉及動物實驗的法規，推動調整與優化；人才路線則透過教育訓練、在職課程與職能培力，讓研究人員與審查人員更熟悉3R與替代試驗方法。
秦主任提到，目前臺灣已成立替代方法驗證實驗室，也有不同部會在化學品、農藥、動物用藥、化粧品、健康食品、藥品與醫材等領域調整法規與指引。生物模式中心則協助在職訓練、繼續教育與職能檢定。這樣的安排，使臺灣雖然沒有單一3R中心，卻能把教育推廣、方法驗證、動物實驗與法規調整納入同一個平台。
從3R看見生命科學研究的新工具組合
從秦咸靜主任的分享可以看見，3R替代科技正在改變研究者安排試驗的方式。過去談3R，多半從動物照護與倫理出發；現在談3R，還需要討論類器官、器官晶片、AI模型、資料品質、法規採認與跨域人才。
動物實驗仍有其重要性，但未來研究不一定只靠單一方法完成。研究人員可以依照問題性質，選擇細胞試驗、類器官、器官晶片、AI模型或動物實驗，組合出更合適的試驗流程。秦主任也提醒：「它都是工具箱裡的工具，可是你要知道怎麼用它。」這句話點出替代科技的重點：不是把所有方法換掉，而是更精準地選擇方法。
器官晶片未來也可能連結精準醫療。秦主任提到，若能使用病人來源的腫瘤細胞或帶有特定基因突變的細胞，研究人員便有機會建立更接近病人狀態的測試系統。除此之外，這些工具也可能用於極端環境、毒性化學品、農藥測試與環境監控。她說：「這個工具是可以被好好善用，它的應用範圍越大，市場潛力就會越大。」
對臺灣而言，下一步重點在於銜接生醫、工程、製造、資料與法規。若只有單點研發，工具難以走出實驗室；若缺乏驗證與標準，資料也難以取得信任。當跨域團隊、共用平台、法規調整與人才訓練逐步到位，3R替代科技才有機會真正進入研發與產業應用。
秦主任譬喻：「這就像手機跟智慧手機的差別」。傳統手機可以通話，但智慧型手機成為新的載體後，能承載非常多應用。替代試驗科技也是如此，它起點是減少動物實驗，後續卻可能開啟更多生命科學研究、精準醫療與安全評估的新可能。
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