淺談3R原則及其在實驗設計中的應用

苑 博

（天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院，天津 300070）

淺談3R原則及其在實驗設計中的應用

苑 博

（天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院，天津 300070）

3R原則(即替代,減少,優(yōu)化)廣泛適用于實驗教學和任何科研領域的動物實驗中。成功應用3R的關鍵是在收集數(shù)據(jù)之前,需要提前考慮好合理的實驗設計和分析方法。很多實驗設計原則,比如實驗設計要有效、可靠和高效;實驗結果的統(tǒng)計方法要清晰透明;在實驗室確保對動物福利的尊重和理解,都是有助于實現(xiàn)3R原則目標的關鍵。

3R原則;實驗設計;應用

1 3R原則

3R原則是1959年英國動物學家William Russell和微生物學家Rex Burch在經(jīng)典著作《仁慈試驗技術原理》提出的[2]。3R原則中的“R”分別是replacement（替代），reduction（減少），refinement（優(yōu)化）。作為實驗動物倫理法則，應用于任何與動物實驗相關的科學研究、實驗教學及其他領域中。旨在倡導研究者在工作中用其他實驗方法或?qū)嶒灢牧先〈鷮嶒瀯游铮ㄟ^合理的實驗設計把實驗動物的使用量降到最低，改善或者降低實驗動物承受的痛苦。

第一個“R”，replacement（替代），分為絕對替代和相對替代。絕對替代是最理想的結果，比如通過計算機建立虛擬模型來替代活體動物和動物來源的細胞、組織、器官，完全取代實驗動物。而相對替代，則是指使用動物來源的，已經(jīng)建立好的細胞系，或者用低疼痛感的模式動物（單細胞動物）替代哺乳動物。

第二個“R”，reduction（減少），指在不影響實驗數(shù)據(jù)的“質(zhì)”和“量”的前提下，盡可能減少實驗動物的使用量，提高實驗動物的利用率和實驗的精確度。“減少”不單是指在原有的實驗上減少使用實驗動物的數(shù)量，除此之外，還有一層“相反”的含義，就是增加單個小實驗的動物使用量，所獲得的實驗結果可以有效減少整個實驗設計所需的動物數(shù)總量。

最后，第三個“R”，refinement（優(yōu)化），指通過任何途徑來避免或減少實驗動物現(xiàn)有的或潛在的精神緊張、痛苦和不良反應，提高實驗動物福利。Russell和Burch把對動物的傷害分為必然傷害和偶然傷害。必然傷害是指實驗設計帶給實驗動物的傷害，偶然傷害則是由于操作不當對實驗動物造成的意外傷害。

2 3R在實驗設計中的應用

無論是教學還是科研，3R原則在實驗設計部分的應用至關重要，因為實驗設計與分析方法從根本上決定了實驗動物的“最少”使用量和實驗動物承受的“最低”痛苦?！白钌佟焙汀白畹汀笔侵冈诶硐霠顟B(tài)下，沒有因?qū)嶒灢僮鞑划斣斐蓪嶒瀯游镆馔獾乃劳龊筒槐匾膫Α?/p>

實驗設計的目的，通常是驗證假設，一般我們可以通過檢測某個特異性指標來驗證假設。無論是通過何種方法驗證假設，3R原則都應該始終貫穿其中，即與實驗設計和分析緊密相連，盡量用模式動物替代哺乳動物，或者在實驗教學中，用模擬實驗替代動物實驗；減少對實驗結果價值很少甚至沒有價值的實驗動物的使用，避免不必要的浪費；優(yōu)化實驗方法，以避免或減少實驗動物的痛苦，精神緊張和傷害的時間，以改善實驗動物福利[3]。如何在保證實驗結果的前提下，遵循3R原則，在實驗設計階段，把實驗動物使用量降到最低，把實驗動物承受的痛苦降到最低，是每一個研究者在設計研究方案期間必須思考的問題。

2.1 減少實驗中所需要的動物數(shù)量

2.1.1 判斷適當?shù)臉颖敬笮?/p>

理想情況下，如果不考慮倫理，資金，時間，人力物力或其他方面的成本，研究人員希望通過檢測全部目標人群來揭示事物的本質(zhì)或者真理。顯然，在絕大多數(shù)情況下，這既不可能也不可取，因此，研究人員必須在保證研究結論具有一定可靠性的前提下，估算最少的樣本量。不能少于“必要的數(shù)量”，也不能過多。這個數(shù)字無論過多還是過少，對實驗結論和實驗動物都是不負責的表現(xiàn)。

從實際情況上看，國內(nèi)建筑業(yè)的迅速發(fā)展主要是依賴經(jīng)濟的進步，人們對建筑質(zhì)量有更高的要求，對建筑水平也提出了更多的要求，這些都是促進建筑業(yè)整體發(fā)展的重要因素。而國內(nèi)建筑業(yè)取得了不錯的成就，在技術以及管理上都是在不斷進步的，安全管理是建筑建設中最關鍵的管理內(nèi)容，加強管理的力度可以讓人們更加相信建筑的可靠性。在施工中建筑安全監(jiān)督也是不可缺少的，這對保證現(xiàn)場的安全以及居民的安全都有非常深遠的影響，對人們的生命健康以及財產(chǎn)安全都有直接的影響。因此在建筑建設中質(zhì)量安全的嚴格監(jiān)督是必不可少的[1]。

理論上，“必要的數(shù)量”（樣本量）取決于實驗設計，統(tǒng)計的變量類型（連續(xù)型變量，分類型變量等）。檢驗水準、檢驗功效、總體標準差、容許誤差都是決定樣本含量的要素。實驗設計和分析方法越復雜，精密度準確度要求越高，需要估計的未知變量越多，樣本就越大，計算也越復雜。

2.1.2 采用高效的設計方案

為了增加實驗的檢驗功效，研究者可以增加樣本量，減少現(xiàn)有實驗的變異，采用替代措施，在解答相同研究假設的基礎上，獲得更大的（標準化）效應量。比如應用區(qū)組化設計消除個體變異對實驗結果的影響，或者在嵌套設計中，采用因素組合而不是一次測試一個因素，這樣可以從相同數(shù)量的動物中收集更多信息，并且每個因素組合可以設計有相對較少數(shù)量的動物。

2.2 使用其他手段替代動物實驗

在實驗設計中應用絕對替代，必須保證獲得的數(shù)據(jù)與其所替代的基于動物實驗所獲得的一樣可靠、有效。如果失去這個前提，特別是在醫(yī)學模型設計或者毒理學試驗中，就變得沒有意義了。

關于相對替代，英國1986年制定的《動物（科學方案）法令》（《實驗動物法》）對動物物種以及物種的發(fā)育階段進行分級，作為實驗設計中相對替代的選擇原則。

替代方案合理性的評估指標是相關性和可靠性。相關性相當于預測效度，而可靠性是指實驗的重現(xiàn)性。

2.3 優(yōu)化現(xiàn)有實驗，減少動物受到的痛苦和傷害

Russell和Burch把“優(yōu)化”分為兩種，一種是針對由實驗設計本身給實驗動物帶來的痛苦，一種是針對由于疏忽大意給實驗動物帶來的意外傷害。第一種一般是建立模擬人類某種疾病的動物模型，這種情況，我們應該盡可能在設計實驗時，降低由疾病造成的實驗動物痛苦的時間，減輕傷害的程度。比如，美國動物倫理委員會規(guī)定，荷瘤小鼠的腫瘤最大直徑不能超過2 cm，違反動物倫理要求，再有貢獻的研究數(shù)據(jù)也會被撤銷，甚至研究結論也會遭到質(zhì)疑。2015年，一篇4年前發(fā)表于《Nature》的文章引起了爭議，原因就是研究人員使小鼠腫瘤體積超過了規(guī)定大小。最后文章雖然沒有被撤稿，但有關小鼠的實驗數(shù)據(jù)被撤銷。除此之外，實驗動物在過程中的恐懼和痛苦，會對實驗結果進行干擾，增加實驗的變異性/偏差[4]。優(yōu)化實驗設計，注重實驗動物福利，不僅是倫理要求，也是對實驗結果的一種負責。

3 結語

動物實驗廣泛存在于基礎研究（教學），臨床藥物研究以及獸醫(yī)研究中。每年為此貢獻出生命的實驗動物數(shù)量相當龐大。一項科學研究，想要得出客觀理性的結論，必須有扎實的統(tǒng)計數(shù)據(jù)做保證，設計不佳的實驗和不充分的統(tǒng)計分析，會造成實驗動物不必要的損失，違背實驗動物倫理學的3R原則。

想要在實驗中成功應用3R原則，關鍵在于收集數(shù)據(jù)前反復思考的實驗設計和統(tǒng)計方法。而3R原則的應用也可以起到改進實驗研究的目的。比如，合理、可靠、高效的實驗方案；清晰、明確的觀察指標；實驗中對實驗動物福利的重視。將實驗動物的使用減到最少，對實驗動物的傷害降到最低，是我們一直需要努力的方向。

[1] Peter Singer.動物研究中的倫理學問題[J].中國醫(yī)學倫理學，2004，17（2）：31-34，36．

[2] Russell WMS，Burch RL．The Principles of Humane Experimental Technique[M]. London：Methuen，1959．

[3] 白晶.動物實驗3R原則的倫理論證[J].中國醫(yī)學倫理學，2007，20（5）：48-50．

[4] 楊青.國內(nèi)外醫(yī)學實驗動物福利現(xiàn)狀與思考[J].天津醫(yī)學，2011，23（4）：74-76．

Introduction to 3R Principle and the Application in Experimental Design

Yuan Bo
(Basic Medical College of Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China)

The 3R principle(replacement,reduction,and refinement)could be apply to experimental teaching and animal experiments in any study. The key to the successful application of the 3R principle is the need to prioritize reasonable experimental design and analysis methods before collecting data. Indeed,many design principles are the key to achieving the 3R principle goal,such as design valid,reliable and efficient experiments;report the findings clearly and transparently;ensure that the respect and understanding of animal welfare play a central role in the laboratory.

3R principle;experimental design;application

天津醫(yī)科大學教學研究基金。

苑博,碩士,助理實驗師,研究方向:機能學實驗室管理。