浅谈3R原则及实验设计

时间:2022-01-02 04:05:36

浅谈3R原则及实验设计

摘要:3R原则(即替代,减少,优化)广泛适用于实验教学和任何科研领域的动物实验中。成功应用3R的关键是在收集数据之前,需要提前考虑好合理的实验设计和分析方法。很多实验设计原则,比如实验设计要有效、可靠和高效;实验结果的统计方法要清晰透明;在实验室确保对动物福利的尊重和理解,都是有助于实现3R原则目标的关键。

关键词:3R原则;实验设计;应用

3R原则适用范围很广,比如基础医学的实验教学,科学研究,或是兽医学,最直接的就是实验室的动物实验。然而目前,3R原则是否可以成功应用于实验室,仍然是一个不容乐观的问题。十年前欧盟每年用于研究和药物检测的实验动物大约1200万只,美国每年至少1700~2200万只[1]。而最近几年每年全球实验动物使用量预计至少在一亿以上。然而,这还仅仅是保守估计,因为很难准确统计出所有用于实验的动物数量,大部分国家不会将相关数据公布出来。从现有的数据可以清楚地看到,在过去几十年里,用于科学研究的实验动物数量有增无减。合理应用3R原则可以有效解决这个问题,因此,3R原则及其在实验中的应用和推广至关重要。

13R原则

3R原则是1959年英国动物学家WilliamRussell和微生物学家RexBurch在经典著作《仁慈试验技术原理》提出的[2]。3R原则中的“R”分别是replacement(替代),reduction(减少),refinement(优化)。作为实验动物伦理法则,应用于任何与动物实验相关的科学研究、实验教学及其他领域中。旨在倡导研究者在工作中用其他实验方法或实验材料取代实验动物,通过合理的实验设计把实验动物的使用量降到最低,改善或者降低实验动物承受的痛苦。第一个“R”,replacement(替代),分为绝对替代和相对替代。绝对替代是最理想的结果,比如通过计算机建立虚拟模型来替代活体动物和动物来源的细胞、组织、器官,完全取代实验动物。而相对替代,则是指使用动物来源的,已经建立好的细胞系,或者用低疼痛感的模式动物(单细胞动物)替代哺乳动物。第二个“R”,reduction(减少),指在不影响实验数据的“质”和“量”的前提下,尽可能减少实验动物的使用量,提高实验动物的利用率和实验的精确度。“减少”不单是指在原有的实验上减少使用实验动物的数量,除此之外,还有一层“相反”的含义,就是增加单个小实验的动物使用量,所获得的实验结果可以有效减少整个实验设计所需的动物数总量。最后,第三个“R”,refinement(优化),指通过任何途径来避免或减少实验动物现有的或潜在的精神紧张、痛苦和不良反应,提高实验动物福利。Russell和Burch把对动物的伤害分为必然伤害和偶然伤害。必然伤害是指实验设计带给实验动物的伤害,偶然伤害则是由于操作不当对实验动物造成的意外伤害。

23R在实验设计中的应用

无论是教学还是科研,3R原则在实验设计部分的应用至关重要,因为实验设计与分析方法从根本上决定了实验动物的“最少”使用量和实验动物承受的“最低”痛苦。“最少”和“最低”是指在理想状态下,没有因实验操作不当造成实验动物意外的死亡和不必要的伤害。实验设计的目的,通常是验证假设,一般我们可以通过检测某个特异性指标来验证假设。无论是通过何种方法验证假设,3R原则都应该始终贯穿其中,即与实验设计和分析紧密相连,尽量用模式动物替代哺乳动物,或者在实验教学中,用模拟实验替代动物实验;减少对实验结果价值很少甚至没有价值的实验动物的使用,避免不必要的浪费;优化实验方法,以避免或减少实验动物的痛苦,精神紧张和伤害的时间,以改善实验动物福利[3]。如何在保证实验结果的前提下,遵循3R原则,在实验设计阶段,把实验动物使用量降到最低,把实验动物承受的痛苦降到最低,是每一个研究者在设计研究方案期间必须思考的问题。2.1减少实验中所需要的动物数量。2.1.1判断适当的样本大小。理想情况下,如果不考虑伦理,资金,时间,人力物力或其他方面的成本,研究人员希望通过检测全部目标人群来揭示事物的本质或者真理。显然,在绝大多数情况下,这既不可能也不可取,因此,研究人员必须在保证研究结论具有一定可靠性的前提下,估算最少的样本量。不能少于“必要的数量”,也不能过多。这个数字无论过多还是过少,对实验结论和实验动物都是不负责的表现。理论上,“必要的数量”(样本量)取决于实验设计,统计的变量类型(连续型变量,分类型变量等)。检验水准、检验功效、总体标准差、容许误差都是决定样本含量的要素。实验设计和分析方法越复杂,精密度准确度要求越高,需要估计的未知变量越多,样本就越大,计算也越复杂。2.1.2采用高效的设计方案。为了增加实验的检验功效,研究者可以增加样本量,减少现有实验的变异,采用替代措施,在解答相同研究假设的基础上,获得更大的(标准化)效应量。比如应用区组化设计消除个体变异对实验结果的影响,或者在嵌套设计中,采用因素组合而不是一次测试一个因素,这样可以从相同数量的动物中收集更多信息,并且每个因素组合可以设计有相对较少数量的动物。2.2使用其他手段替代动物实验。在实验设计中应用绝对替代,必须保证获得的数据与其所替代的基于动物实验所获得的一样可靠、有效。如果失去这个前提,特别是在医学模型设计或者毒理学试验中,就变得没有意义了。关于相对替代,英国1986年制定的《动物(科学方案)法令》(《实验动物法》)对动物物种以及物种的发育阶段进行分级,作为实验设计中相对替代的选择原则。替代方案合理性的评估指标是相关性和可靠性。相关性相当于预测效度,而可靠性是指实验的重现性。2.3优化现有实验,减少动物受到的痛苦和伤害。Russell和Burch把“优化”分为两种,一种是针对由实验设计本身给实验动物带来的痛苦,一种是针对由于疏忽大意给实验动物带来的意外伤害。第一种一般是建立模拟人类某种疾病的动物模型,这种情况,我们应该尽可能在设计实验时,降低由疾病造成的实验动物痛苦的时间,减轻伤害的程度。比如,美国动物伦理委员会规定,荷瘤小鼠的肿瘤最大直径不能超过2cm,违反动物伦理要求,再有贡献的研究数据也会被撤销,甚至研究结论也会遭到质疑。2015年,一篇4年前发表于《Nature》的文章引起了争议,原因就是研究人员使小鼠肿瘤体积超过了规定大小。最后文章虽然没有被撤稿,但有关小鼠的实验数据被撤销。除此之外,实验动物在过程中的恐惧和痛苦,会对实验结果进行干扰,增加实验的变异性/偏差[4]。优化实验设计,注重实验动物福利,不仅是伦理要求,也是对实验结果的一种负责。

3结语

动物实验广泛存在于基础研究(教学),临床药物研究以及兽医研究中。每年为此贡献出生命的实验动物数量相当庞大。一项科学研究,想要得出客观理性的结论,必须有扎实的统计数据做保证,设计不佳的实验和不充分的统计分析,会造成实验动物不必要的损失,违背实验动物伦理学的3R原则。想要在实验中成功应用3R原则,关键在于收集数据前反复思考的实验设计和统计方法。而3R原则的应用也可以起到改进实验研究的目的。比如,合理、可靠、高效的实验方案;清晰、明确的观察指标;实验中对实验动物福利的重视。将实验动物的使用减到最少,对实验动物的伤害降到最低,是我们一直需要努力的方向。

参考文献

[1]PeterSinger.动物研究中的伦理学问题[J].中国医学伦理学,2004,17(2):31-34,36.

[2]RussellWMS,BurchRL.ThePrinciplesofHumaneExperimentalTechnique[M].London:Methuen,1959.

[3]白晶.动物实验3R原则的伦理论证[J].中国医学伦理学,2007,20(5):48-50.

[4]杨青.国内外医学实验动物福利现状与思考[J].天津医学,2011,23(4):74-76.

作者:苑博 单位:天津医科大学基础医学院