引言：醫療器械臨床前動物實驗研究是許多Ⅲ類醫療器械，特別是創新型醫療器械進行臨床試驗研究之前需要開展的重要項目。醫療器械安全性和有效性評價中動物試驗是重要手段之一。
醫療器械臨床試驗前動物實驗研究，作為在臨床試驗之前初步驗證醫療器械安全性及有效性的手段，對于尚沒有大量臨床應用歷史的高風險醫療器械以及創新型醫療器械來說是必要的試驗。我國在2016年3月23日發布了《醫療器械臨床試驗質量管理規范》，在該管理規范中，明確要求在臨床試驗研究之前申請者應當完成必要的動物試驗研究以及風險分析。關于是否需要做臨床前動物試驗研究應根據產品的風險分析進行判斷。
2019年4月19日，國家藥品監督管理局（NMPA）發布了《醫療器械動物實驗研究技術審查指導原則第一部分：決策原則》，對如何決策是否有必要進行臨床前動物實驗研究給出了指導性建議。同日，NMPA發布了《腹腔內置疝修補補片動物實驗技術審查指導原則》，給出了針對該類產品開展動物實驗研究的具體要求。另外，全國外科植入物與矯形器械標準化技術委員會組織工程醫療器械產品分技術委員會（SAC/ TC110/SC3）組織制定了幾項動物實驗研究相關的標準，即YY/T 0606.10-2008“組織工程醫療產品第10部分：修復或再生關節軟骨的植入物體內評價指南”、YY/T 1575-2017“組織工程醫療器械產品修復和替代骨組織植入物骨形成活性的評價指南”、YY/T 1598-2018“組織工程醫療器械產品骨用于脊柱融合的外科植入物骨修復或再生評價試驗指南”、YY/T 1636-2018“組織工程醫療器械產品體內臨界尺寸骨缺損的臨床前評價指南”。這些標準針對軟骨和骨植入物的臨床前動物實驗研究，給出了實驗動物的選擇、觀察周期及觀察終點指標的確定等具體要求和指導。
在臨床前動物試驗研究中，試驗結果的真實、可靠、準確、科學是實驗質量保障的基礎。而如何進行動物試驗的質量管理是保障動物試驗質量的根本。目前國際上，例如美國食品藥品監督管理局（FDA）已經出臺了相關的指導原則，即“醫療器械動物試驗研究的一般考量”[1]，指導醫療器械在良好實驗室規范（GLP）框架內進行醫療器械的非臨床動物試驗研究。我國藥品領域早就發布了《藥物非臨床研究質量管理規范》[2]，并開始對藥品非臨床研究實施了GLP管理，為從源頭上提高藥物研究水平，保證藥物研究質量發揮了重要作用。然而，醫療器械生物學試驗還沒有實施GLP。GLP管理是保障臨床前動物試驗研究質量的有力措施，但是，由于醫療器械非臨床研究在實施GLP管理中，在各個層面存在著許多挑戰，我國在該領域的規范制訂方面尚在不斷完善過程中。保障醫療器械臨床前動物試驗的質量，是科學評價醫療器械安全有效性的基礎。本文參考美國關于醫療器械動物試驗研究的指南，并參考我國藥品領域《藥物非臨床研究質量管理規范》的要求，就如何在盡可能滿足GLP管理要求之下開展醫療器械動物試驗研究的考慮要點做一概述，以供相關研究人員參考。藥品非臨床研究的GLP管理中，對組織機構和人員的配置、職位要求和職能做出了基本的規定[2]，可供醫療器械的非臨床研究參考。然而，由于醫療器械動物試驗研究可能涉及的大動物種類較多，如犬、豬、羊等，因此，動物試驗研究小組應包括熟悉這些大動物生理學及病理學的獸醫參加試驗，其職責是負責動物的飼養管理、發現并解決不良反應，并決定是否作出干預、如何做出相應的干預以及是否出于人道的考慮終止試驗流程。另外，醫療器械的動物試驗研究以植入試驗為主，因此，獸醫的職責還包括保存有價值的組織（特別是局部組織）以及協助確定器械與不良作用的相關性。動物模型經常會需要特殊的手術方式，解剖學限制和創傷閉合的重要特征，研究團隊最需要具有這一部分專業知識的獸醫。同時，由于醫療器械植入或介入試驗操作的特殊性，有經驗的臨床外科醫生參與植入或介入試驗就顯得十分重要。動物試驗研究相關研究人員應包括不同技術人員，如臨床醫生、獸醫和獸醫病理學及影像學專業領域的研究者。應保存所有從事動物試驗研究或監督動物試驗研究人員的培訓經歷和從業經驗以及工作描述的檔案。建議應基于此人是否適合本研究評估關鍵人員能力。建議除了組建一支主力人員隊伍（包括專題負責人、質量保證部門、相關主要研究者）之外，篩選確定一定數量的專業人員進行監測、處理和取樣，并在此期間主動監測以前的動物試驗或實驗室檢測中出現的風險。藥品非臨床研究的GLP管理中，規定了動物設施、與受試品和對照品相關的設施以及檔案保管設施的基本要求[2]，可供醫療器械的非臨床研究參考。動物實驗設施設計的主要原則有兩點：一是根據動物保護的原則，給予實驗動物以合理的動物福利；二是保證動物以較自然的生活方式生活，盡可能減少除實驗本身之外的變量，以保證實驗結果的可靠性。具體不同設施環境的要求見如下逐條的詳述。參考藥品非臨床研究的GLP管理中，除了對能夠滿足研究需要的動物設施的基本要求[2]之外，動物的基本生存條件，包括最小飼養空間、飼養標準、照明與環境溫濕度控制等參數根據物種及動物等級的區別有所不同，可參考GB 14925-2010“實驗動物環境及設施”。動物設施應該足夠大，有滿足實驗要求的動物房間或區域，以確保物種或試驗系統的適當分離。然而，在除術后監測期需要單獨飼養之外，推薦群居飼養動物。建議提供的環境條件包括玩具、干凈的休息平臺和適當的玩耍與運動場地。為保持護理標準，建議動物飼養場所（籠具）的地板、墻壁和天花板應無孔，以便于表面清潔[3-7]。由于許多Ⅲ類醫療器械及與外科手術相關的植入物需要在亞急性試驗期間頻繁觀察，建議研究設施中修建有進入小型康復室或可提供重癥監護治療（氧氣、用于靜脈給藥的體循環系統、遠程ECG監測以及溫度和/或濕度調整）的封閉設施通道。另外，建議考慮在封閉的實驗設施中進行一段時間的動物飼養，隨后在穩定期后運輸到更開放和能夠沐浴陽光的設施[1]。《藥物非臨床研究質量管理規范》第十二條對與受試物和對照品相關設施的要求[2]可供醫療器械非臨床研究參考。除了《藥物非臨床研究質量管理規范》第十三條對檔案保管設施的基本要求之外，由于醫療器械植入或介入手術操作的復雜性和風險觀測的需要，重要手術操作的實時錄像監控電子檔案的保管對數據溯源和完整性、真實性和手術不良結局與器械本身的關聯性評估很重要。計算機化的檔案設施具備阻止未經授權訪問和病毒防護等安全措施。除了《藥物非臨床研究質量管理規范》第十五至十七條對研究設備的基本要求之外，鑒于醫療器械動物實驗研究通常非常復雜，其所用特殊設備可能會從委托方向合同研究機構轉移，因此，建議委托方與顧問和專題負責人仔細研究實驗中使用的合同設備保養、維護的相關知識。參與動物實驗研究計劃的人員應與將實際實施研究的人員盡早進行頻繁的交流，以確保研究設施擁有用于研究的適當輔助設備和資源。特殊設備的轉移流程及認證、培訓、使用應制定相應的SOP，做好設備使用記錄[1]。除了《藥物非臨床研究質量管理規范》第十八條對受試物和對照品的使用和管理的基本要求[2]之外，鑒于醫療器械的受試物多為固體材料或器械，建議全面表征研究中使用的所有受試物和對照品。由于不斷的工藝改進和優化，委托方可能在開始臨床研究之前研發多次重復的受試物，因此建議在關鍵的動物實驗研究使用代表最終臨床設計的受試物。如果沒有使用最終設計的受試物，應確定最終的臨床設計樣品與動物實驗研究的設計相比，對患者沒有新的風險。建議將受試物和對照品包裝、消毒，并以與臨床產品相同的方式運送到研究現場。應開發一種從采購到使用過程中全程跟蹤試驗器械和對照器械的方法[1]。實驗系統，指用于非臨床安全性評價研究的動物、植物、微生物以及器官、組織、細胞、基因等[2]。《藥物非臨床研究質量管理規范》第二十條[2]對實驗動物的管理同樣適用于醫療器械非臨床研究質量管理。建議對以下可能會影響實驗系統的因素進行評估，以便可以評估其對研究結果的影響，如（1）環境因素，包括溫度、光照和物理結構；（2）營養狀況；（3）穩態控制，包括電解質、血糖、無菌維持和出血控制、輔助診斷工具，以及用于定義或描述受試品或對照品與動物之間的相互作用的材料和方法[1]。實驗動物的使用應當關注動物福利，遵循“減少、替代和優化”的原則，具體可參照GB/T 35892-2018 “實驗動物福利倫理審查指南”的要求進行。試驗方案實施前應當獲得動物倫理委員會批準。應排除環境條件對研究評估的影響，讓所有動物都可以獲得充足的資源，例如食物、水和玩具，以防止欺凌和領地壓力。與操作者的熟悉可以減少動物的背景壓力，從而可以最大限度地減少導致實驗偏離因素，以防對研究結果的解釋造成不利影響。此外，應制定標準操作規程以提供及時恰當的動物醫療護理[1]。動物模型選擇的思路應遵循以下原則：一是要最大程度地模擬預期臨床應用的實驗系統，包括動物及其相關環境和生理特性。二是動物實驗研究實施的合理性，風險分析要素應涉及為什么選擇該動物模型。如果動物模型有局限性，器械的一些相關風險最好通過實驗室或者尸體實驗進行評價，并確定其相關性。除此之外，還應確定實驗系統的遺傳學差異（動物和人的差異）。如實驗系統和人的不同、器械的尺寸和輸送系統差異、器械植入的部位和追蹤方式差異，等等。實驗設施應有一張有關動物標識、實驗分組、所執行程序的類型以及每只動物的命運或處置的信息表，以便使任何試驗個體和對照動物都受到監管。實驗動物到達實驗設施后，應記錄實驗動物來源、到達日期、數量并進行隔離檢疫。動物檢疫可按照GB 14922.1-2001“實驗動物寄生蟲學等級及監測”及GB 14922.2-2011 “實驗動物微生物學等級及監測”進行。建議建立標準操作規程，給予動物足夠的隔離和適應期以及社會化/群體化程序[8]。應盡可能控制疾病和心理壓力的背景水平。農場飼養的動物特別容易產生腸道寄生蟲，這些寄生蟲通常在亞臨床水平存在，但是在手術期和壓力恢復期可能會引起臨床綜合征狀。為了盡量減少這種偏離因素，建議與主治獸醫進行頻繁的溝通，探討檢測和消除臨床和亞臨床疾病的方法，以確保動物健康。為了盡量減少動物在運輸過程中的壓力，建議考慮使用帶有高架地板、軟緩沖休息裝置、碳纖維、干草網或其他舒適設施以及食物/水裝置的運輸籠。運輸車輛應當為動物提供暖氣和空調以盡可能減小運輸壓力[8-9]。醫療器械的安全性評估通常基于所提供有效科學證據的動物實驗研究，應具有適當的標準操作規程，以確保數據的質量和完整性。研究機構應當制定與其業務相適應的標準操作規程。關于需要制定的標準操作規程可參考《藥物非臨床研究質量管理規范》第七章的合計15項條款。建議動物實驗研究包括適當的控制措施以盡量減少實驗的變異性和差錯。這樣的措施包括但不限于在試驗過程中盡量減少影響實驗動物的因素。首先，動物實驗研究必須經過周密計劃。為此，實驗計劃需要有一定資質的機構或者個人提出，由有適當資質和經驗的指定的專題負責人進行指導。專題負責人宜在實驗場所辦公，便于指導和監督實驗技術的實施。專題負責人負責研究結果的解釋、分析、形成文件和報告。實驗方案應包括《藥物非臨床研究質量管理規范》第八章第二十九條中所要求的適用于一般GLP方案的十五項要素，并宜包含如特殊環境下的研究規范（操作指南）。任何最終已通過的實驗方案的改變和修改以及修改原因都必須經由專題負責人簽字并簽署日期。實驗方案和任何修改必須提供給質量保證部門檢查。研究開始前需要先通過動物倫理委員會對已確定的實驗方案進行審批。為了確定實驗動物的數量和實驗分組，宜先進行實驗室預試研究，同時從中可以確定適當的實驗對照、預期實驗干擾因素和最適當的觀察間隔等條件。由于研究的最初目的是評價醫療器械的安全性和性能，因此，醫療器械動物實驗研究的設計應帶有風險研究的目的，這些風險可以通過已知的一些因素進行預測，這些因素包括器械本身的設計、任何器械型號的已知風險和在此前的研究例如動物可行性試驗/臺架試驗、實驗室實驗/測試中可能出現的新風險等，并通過動物實驗進一步驗證和評價。建議充分考慮器械的風險分析，設計研究項目應能夠評價器械的所有風險，考慮已知的器械型號相關的任何風險。動物實驗方案盡可能模擬臨床設計和使用。應當確認在輸送、植入或使用器械中的所有步驟，并制定每一個步驟的可接受標準。建議對每個驗收標準應用半客觀的評定量化表（例如李克特量表，Likert scale）。如果器械與輔助設備一同輸送或使用，則可接受標準應包含評估系統相容性的要素。評級標準應當囊括從器械準備到放置或使用乃至取回和重新放置過程中的所有步驟。如果器械通過手術放置，則應描述器械從進入體壁到最終器械操作期間的所有步驟。評價醫療器械的安全性風險，包括（1）生理反應：醫療器械進入機體可能會導致機械或生物負荷甚至創傷。建議在局部區域、植入位點相鄰部位，乃至往返于植入位點的所有路徑中確定關鍵的生物反應變量。強烈建議與病理學專家合作制訂實驗方案。（2）無法預測的發病與死亡：應全面解釋所有觀察到的動物疾病和死亡案例。應獲得關于這些事件是否與器械有關的完整的支持依據。獸醫臨床結果的陳述必須有適當的證據、記錄和報告的支持。如果死亡或疾病可能間接歸因于該器械，則應討論這種情況的病因。評估包括術后、中期和終期臨床病理學，包括血化學、血液學和附有實驗室參考范圍值的凝血概況、影像報告和用于特定評估的病例報告（例如電生理學、行為學和神經學評估）等等。（3）下游的和全身反應：建議評估該器械是否對遠離放置/植入或使用的部位有影響。如果認為所評價器械有這類潛在風險，那么研究目的應包含評估其他組織（如血液接觸器械的下游組織，或其它相關的終端器官組織）。這些可能會成為證明器械及其輸送系統潛在全身影響的一部分證據。如果這些問題可能存在，應制定計劃來評估受影響的組織數量、程度以及是否會導致功能性障礙。某些受試品常常與某些特定的附屬裝置或部件結合使用。當試驗器械必須與附件一同使用時，這些附件有時被描述為實驗系統的一部分。在這種情況下，應考慮動物實驗研究中使用的任何附屬器械是否與試驗器械完全分離，或者附屬器械是否將與受試品一起上市銷售；以及器械的最終標簽是否包含附屬器械選擇或使用的說明。建議在實驗動物中評價/測試醫療器械的方法和材料應與使用在現代獸醫和醫院中的方法類似。監測和干預策略應基于獸醫和專業人員以往的經驗。一旦確定動物實驗研究中可以解決的失敗模式和影響因素，則應制定動物實驗方案以解決每項已識別的風險，并規定監測、干預措施和結果評估的頻次和類型。實驗方案應經過項目委托方認可同意，并由專題負責人簽名并簽署日期。實驗方案一旦確定，參加研究的工作人員應當嚴格執行實驗方案和相應的標準操作規程，參照《藥物非臨床研究質量管理規范》第三十條的要求實施[2]。建議根據已知風險和器械使用的預計結果來制訂針對研究項目的關鍵干涉和時間點的日程。這些時間點通常包括（1）對器械性能和/或動物反應進行全面表征、植入和中間檢查檢測；（2）器械的取出（如果是植入物）；（3）全面分析任何取出的組織；（4）組織制備；（5）起草和簽署最終書面報告。建議質量保證部門或者團隊了解這些關鍵項目日程，以便安排中期實驗監測和檢查。由于醫療器械可能的侵襲性和動物存活時間上的差異，研究期間可能需要根據臨時數據調整這些參數。例如，如果早于預期時間點檢測到不良結果，則應考慮改進觀察和器械取出的時間表，以避免丟失有用的數據。建議在動物實驗設計中設置一個對照組，或解釋為什么不設置對照組。此外，應使用足夠數量的動物來支持醫療器械安全性和性能的驗證結果。動物數量的確定最好在臺架測試和器械的迭代研究完成之后。研究中動物的數量應基于合理的科學依據，并考慮到模型的難度，以及是否可在一只動物中合理研究一種或多種受試物和對照品。根據經驗，較高級物種（例如，綿羊、山羊、非人靈長類動物）的典型動物實驗研究通常每組/時間點有3~9只動物。但是，在任何情況下，方案中都應提供所用動物數量的科學依據。建議動物實驗研究的實施人員預先確定飼料類型和數量，指定籠子的尺寸，且在圈養狀態下飼料容器的位置和數量應該充足。還應考慮遵循飼養限制特殊規定的其他研究標準。動物體重的下降有時很難解釋，這使得很難確定體重的下降是否與器械相關。因此，應確保對動物個體特別是圈養動物進行連續監測，記錄食欲、進食量和飲水量、排尿和排便的具體情況。欺凌和資源獨占造成的熱量攝入量或液體攝入量降低通常會導致體重減輕。在慢性（長周期）研究中，入組的動物（如反芻動物）通常被轉移到更典型的農業飼養環境中，允許動物在開放牧場放牧和/或喂食干草作為其飲食的組成部分。動物實驗研究機構應確保牧場沒有潛在的有毒植物、寄生蟲卵和其他潛在污染物，并且牧場的條件（土壤、草地）符合動物的營養需求，包括礦物質。一些物種可能對土壤中有機礦物質不平衡很敏感（例如，羊對銅和鉬不平衡敏感），這可能會不經意地導致中毒（銅對羊的毒性）。生長促進劑，如莫能菌素是另一種常見的無意的毒性來源，這是由于定量配制中的錯誤或給一個物種喂養另一個物種的配比造成的。必須定期檢查飼料和水，以確保已知可能干擾研究的污染物不會超出方案規定的水平。動物實驗研究機構應認識到這些潛在問題，并在編寫標準操作規程時處理這些問題，這些程序涉及定期測試水和飼料中潛在的污染物、牧場土壤和植物的營養平衡、培訓員工閱讀配給標簽及喂特定物種相應的配比等。建議遵循獸醫護理標準[9, 11-17]。例如，實驗動物監控頻率和強度應保證能對由器械造成的已知風險進行充分分析，這些監控參數應當與研究機構的獸醫一起確定。這種監測不僅出于人道的原因，它也可以幫助我們根據可能歸因于該器械的因素分類常見的自發癥狀。要評估的重要特性指標包括但不限于（1）呼吸頻率、模式和深度；（2）血壓；（3）心率和脈搏特征；（4）靜息和運動時黏膜顏色；（5）姿態；（6）精神狀態；（7）步態；（8）是否存在腹部、膀胱或腸膨脹。下面提供了關于動物實驗研究監測的具體建議：（1）術中監測：術中和術后對心率、心電圖、血壓和血氣的監測有助于獲得積極結果。（2）急性（短期）研究：建議跟蹤記錄生命體征，如手術時記錄的心律、呼吸頻率、脈搏和血壓。這些信息應與植入、放置或使用裝置、造影劑或其他裝置相關材料的時間相關聯，并在麻醉和手術記錄中注明。（3）慢性（長期）研究：慢性研究包括如下不同時期：①術后護理：建議遵循目前的實驗室實驗動物護理標準，保持動物體溫正常，盡量減少疼痛和感染，并提供充足的液體和電解質[10, 16-20]。獲取動物生理信息的質量應與人類護理和康復中所獲得的信息相類似。此外，還應建立一個標準評估模式來控制壓力變量，以監測疼痛和體溫，并根據中期結果指導額外的保溫和止痛藥使用。②中期觀察：在動物從初始手術過程中恢復，監測器械相關風險期間，建議每天至少在喂食時間監測兩次，以便在活動時觀察它們。同時，建議咨詢獸醫并制定體重監測計劃。應考慮將體重評分作為定期觀察動物的輔助手段[13, 21-24]。如果研究涉及收集臨床生化檢測數據或更先進的診斷，建議制定標準操作規程以便在需要時指定一種不干擾器械的化學干預方法。③終期研究期：建議實驗方案應包括終期研究的細節，并包括檢查、采集和組織處理的所有方法。具體方案應包括終點檢驗的方法、完成活體放射線分析和成像分析的陳述(如果適用）、確定最終體重和機體評分的方法。④尸體解剖和評估：不良事件可能會出現在臨床或亞臨床期。因此，建議在研究中納入全面的系統性尸檢，包括組織收集和保存，以進行組織病理學檢查。所得信息可協助確定不良事件與器械的相關性。（1）植入物影像（如放射影像、microCT）：在準備器械的組織病理分析之前，宜考慮是否進行植入物結構完整性分析，這將有助于確定器械安全性。（2）掃描電子顯微鏡（SEM）：建議使用掃描電子顯微鏡對取出的植入器械表面進行充分分析。（3）組織形態計量分析：由于對急性和慢性生物反應的正確詮釋對安全性評估至關重要，尤其是在缺乏臨床數據的情況下。建議在確定組織形態計量分析的組織樣本準備方法時聽取獸醫或臨床病理學專家的意見。除此之外，建議預先建立客觀方法來評估和分析所有組織損傷和炎癥。評估應考慮的評價指標，如炎癥、血管生成、鈣化、蛋白多糖/膠原蛋白和纖維蛋白/血栓等。（4）局部和下游組織評價：大多數器械（包括植入物和輸送系統組件）都具有從器械的結構元素或涂層中形成栓塞微粒或微血栓的潛在能力，影響觀察結果，例如與血液接觸的器械導致的壓力性壞死和周圍組織或上/下游組織炎癥的觀察。如果存在上游栓塞的風險，應打開顱蓋并做大腦切片。如果風險分析中確定了器械的潛在風險，建議病理學研究應包括上/下游和周圍組織的系統性評價。關于動物實驗研究總結報告應當包括的主要內容可參照《藥物非臨床研究質量管理規范》的第三十三條規定的內容。可參照《藥物非臨床研究質量管理規范》的第九章和第十章規定的內容進行質量保證和資料檔案。