動物實驗方案設計

1、動物實驗方案設計動物實驗指在實驗室內，為了獲得有關生物學、醫(yī)學等方面的 新知識或解決具體問題而使用動物進行的科學研究。以下小編為你 整理了動物實驗方案設計，希望對你有所 參考幫助。實驗設計就是擬定實驗方案，在進行科學研究時，對研究方案 作合理的安排，以減少隨機誤差的影響。采用適當?shù)难芯繉嶒灤螖?shù)， 減少實驗的成本并能對數(shù)據(jù)進行有效的分析，提高實驗研究的可靠 性，從而實現(xiàn)研究的目的。研究設計包括專業(yè)設計與統(tǒng)計設計兩個部分。統(tǒng)計設計主要是 依據(jù)研究目的，從研究的現(xiàn)況條件出發(fā)，規(guī)定研究因素、選擇效應 指標、確定研究對象的引入方式方法和規(guī)模，擬實施的方法、方案， 及數(shù)據(jù)收集、整理分析的模式，直至結果的解

2、釋，進行系統(tǒng)的安排， 使其消耗最少的人力物力和時間，而獲得可靠的信息與結論。實驗設計的基本要素為：實驗單位、處理因素和實驗效 應。(1) 大多數(shù)情況下，實驗單位等同于實驗對象、受試對象，在 動物實驗中的動物即為實驗單位。(2) 處理要素：是研究者根據(jù)研究目的施加于實驗單位，在實 驗中需要觀察并闡明其效應的因素，是實驗單位分組的標志。而非 處理因素則是指實驗中非人為施加的、與處理因素同時存在，同樣 可以使受試對象產生實驗效應的因素，如實驗動物的雌雄、體重等 因素。突出研究因素的主導作用，排除混雜因素的干擾作用，可以 通過相應的實驗設計方法，盡量使非處理因素在各處理組中的分布 達到一致或均衡，以便

3、分離出處理因素的效應。另外，處理因素的 施加方法、強度、頻率和持續(xù)時間等，在整個實驗中應始終保持不 變，以保證實驗結果評價的可靠性和穩(wěn)定性；處理因素作用于受試對 象的反應，是研究結果的最終體現(xiàn)，其基本要求客觀性、特異性、 靈敏性和精確性。(3) 實驗效應：處理因素作用于實驗動物后，出現(xiàn)實驗 效應， 一般是用各種指標來反映的。指標按其性質可分為計數(shù)(含等級)指 標和計量指標，計數(shù)指標如“是”“否”“有”“無”，“陽性”“陰性”，“痊愈” “顯效”"好轉” “無效”，“存活” “死 亡”等。計量指標指可測量(含間接測量)的指標，如很多檢查和檢驗指標。在對指標進行觀察時應注意： 實驗效應的

4、觀察應避免偏性。研究者的心理往往偏于陽性結果，為了消除或減少測量偏差，設計時常釆用盲法。 應注意處理和效應的關系：處理與效應之間存在一定的關系，如劑量反應曲線。做實驗應選擇一個合適的實驗劑 量。實驗設計的三大原則即為重復(replication)、隨機化 (randomization)和對照(COntrOl),這是藥理實驗設計的基本要 求。其目的是排除非處理因素的作用，控制隨機誤差，避免系統(tǒng)誤 差，提高實驗效率。(1) 重復原則(重復穩(wěn)定性)：能夠充分重現(xiàn)的實驗，才能稱 為可靠的實驗。另外，實驗研究應有一定數(shù)量的重復觀測結果，即 實驗單位要達到一定數(shù)量。避免將個別情況誤認 為普遍情況，將偶 然

5、誤認為必然，將實驗結果錯誤推廣，同一實驗條件下、同一觀測 指標的多次測量會有變異，多次測量才能描述變異，估計隨機誤差。 實驗單位足夠多時，才能獲得隨機誤差比較小的統(tǒng)計量。重復的目 的是估計和控制實驗中的隨機誤差，提高實驗結果的可靠性。樣本 中包含的實驗單位數(shù)稱為樣本含量(樣本量)。重復原則的應用就 是樣本含量的估計。首先要考慮實驗要有足夠的例數(shù)，能準確重復再現(xiàn)，同時盡可 能排除對實驗的干擾，它包括：動物方面，如品種、品系、體 重、年齡、性別、飼料及飼養(yǎng)環(huán)境等；儀器方面：準確性、穩(wěn)定 性、電壓穩(wěn)定性及操作熟練程度等；藥物方面：性能、批號、純 度、劑量和注射速度等。此外還有室溫、氣壓、季節(jié)等物理因

6、素， 甚至實驗是在上午還是下午，動物群養(yǎng)或單養(yǎng)等，均應預先考慮清 楚，做好設計。(2) 隨機化原則：其目的是一切干擾因素分配到各組時只受純 機遇的抽樣誤差的影響，避免受實驗者主觀因素的干擾，減小或避 免偏性誤差，是實驗設計中的重要原則之一。隨機化手段可釆取隨 機數(shù)字表或小計算機上的隨機數(shù)字鍵。在實驗分組時，每個受試對象均有相同的概率或機會被 分配到 實驗組和對照組。隨機化是一種實驗設計的分組程序，而非“隨便”、 “隨意”和“非選擇性”。隨機化的意義是保證各種非處理因素在各個實驗組和對照組達到均衡，從而顯現(xiàn)處理因素的作用，避免各 種主、客觀因素可能導致 的偏性，減少系統(tǒng)誤差，提高研究結果的 效度

7、。隨機化分組 是從假設檢驗結果推論因果關系的基礎，確定處 理因素與實驗結果之間因果關系的前提是隨機分組后、施加干預前, 所 有觀察對象都屬于同一個總體。(3) 對照原則：確定實驗組時，同時設立對照組，即不施加處理因素的實驗組，只暴露于非處理因素。對照組除沒有處理因素外， 其他對實驗結果可能有影響的因素(已知、可控的非處理因素)都 應該與實驗組盡量相同。常用的對照形式，分為空白對照(blank COntrOl) 實驗對照(experimental CorItrol)、 標準對照(Standard COrItrol)、 相互對照(InUtUaI COntrOI)、潛在對照(POtential CO

8、ntrOI)。 空白對照即對對照組不施加干預，對照組的處理 因素為“空白”； 實驗對照即對照組不施加干預，但施加某 種與處理因素有關的實驗 因素，用于處理因素的施加需伴隨其他因素，而這些因素又可能影 響實驗結果時；標準對照組的干預采用現(xiàn)有“標準”方法或常規(guī)方 法，主要用于臨床試驗，當倫理上不允許對對照組患者采用空白對 照或假干預，如新藥研究采用目前療效確定的藥物作為對照藥；相 互對照則不專門設立對照組，各實驗組間互為對照，如比較幾種同類 藥物的療效差別：潛在對照也不用專門設立對照組，以過去的研究 結果為對照(歷史對照)。另外，當實驗組和對照組例數(shù)相等時， 統(tǒng)計學證明其統(tǒng)計效率最高，輕視對照或對

9、照 較少是錯誤的和不妥當?shù)摹３闃雍头纸M必須嚴格遵守隨機原則，主要因素要均衡一致，但 抽取哪一只動物。分配到哪一組則按隨機數(shù)字表或鍵而定。如果隨 意拿取動物，先取到的為第一組，依次遞推，則反應活潑敏捷不易 抓到的動物勢必集中到最后幾組，各組的條件就有了偏性誤差。為 此，下面介紹幾種主要的分組實驗設計方法。完全隨機設計(ComPletely random design)亦稱單因素設計， 即將受試對象隨機分到各處理組中進行試驗觀察，或分別從不同總 體中隨機抽樣進行對比觀察。它適用于兩個或兩個以上樣本的比較， 各組間樣本量可相等，也可不相等，但是樣本相等時統(tǒng)計分析效率 較高。例1.將12只動物隨機分配

10、到A、B兩組。Cl)先將12只動物編號為1、212號，然后在隨機數(shù)字表內任意確定一個起始點和方向連續(xù)取12個隨機數(shù)字，并依次抄錄于動物編號下。(2)本例從隨機數(shù)字表第6行第19、20列起向下讀取12個隨機數(shù)字，取兩位隨機數(shù)字(表4-1) o(3)將隨機數(shù)字從小到大順序排列后得序號R并規(guī)定R=I-6者為A組，R: 7-12者為B組。例2.將15只動物隨機分成三組。(1) 將動物編號如1、215號，然后在隨機數(shù)字表內從某行 某列起向某方向讀取15個隨機數(shù)字，取兩位隨機數(shù)字，依次抄錄 于動物編號下。(2) 將隨機數(shù)字從小到大順序排列后得序號RO(3) 規(guī)定R=I5者為A組，R=610者為E組，R=I

11、I- 15者為 C組。(4) 本例從隨機數(shù)字表第5行第17、18列起向下讀取15個 隨機數(shù)字(表4-2) o表4-215只動物完全隨機分三組結果注:隨機數(shù)字06之后隨機數(shù)字為02,但前面已經(jīng)出現(xiàn)過，故 舍去。隨機分組應注意：(1) 隨機數(shù)的位數(shù)不應小于N的位數(shù)：(2) 隨機數(shù)如果有重號數(shù)字應舍棄：(3) 若科研上需要各組例數(shù)不等可利用序號(R)調整各組例數(shù)。 如在例2中要求A組6例，B組5例，C組4例，可規(guī)定R=I6者 為A組，R=711者為B組，R= 12-15者為C組。統(tǒng)計假設檢驗方法：(1) 計量資料：t檢驗、方差分析或秩和檢驗等；(2) 計數(shù)資料：卡方檢驗等。完全隨機設計的優(yōu)缺點：設計

12、及統(tǒng)計分析簡單。但是，實驗效 率不高，只能分析單因素。將受試對象按某些特征或條件配成對子，然后分別把每對中的 兩個受試對象隨機分配到實驗組和對照組，再給予每對中的個體以 不同處理，連續(xù)實驗若干對，觀察對子間的差 別有無意義。配對設計的特征或條件：動物實驗常以種屬、品系、性別相同， 年齡、體重相近的兩只動物配成對子；臨床療效觀察常將病種、病 型、族別、性別相同，年齡相差不超過23歲，生活習慣、工 作環(huán)境等相似的患者配成對子；進行配對設計時應注意不要“配對 過頭”。例如，研究高血壓與鈉鹽攝入量的關系，如果將高 血壓患 者與非高血壓患者按飲食習慣配對后比較鈉鹽攝入 量，由于飲食習 慣與鈉鹽攝入量關系

13、密切，可能會掩蓋病例與對照在鈉鹽攝入量上 的差異；實驗者必須在整個研究過程中，始終能辨認屬于同一對子 的是哪兩只動物，因此動物編號是非常重要的；記錄實驗數(shù)據(jù)應保 持每對的一一對應關系，不能錯亂或缺失。計算每對實驗數(shù)據(jù)的差 值時，順序應當一致。例：取20只小鼠，按性別、體重、窩別配成10對，試 將其 分配到實驗組與對照組中去。先按配對條件配對，并將對子編號，"口、， 然后再在隨機數(shù)字表上任意指定行列及查找方向，將隨機數(shù)字依次 抄寫在“對子號”下。事先規(guī)定，遇單數(shù)定為AB順序，遇雙數(shù)定為BA順序。本例：從隨機數(shù)字表中第46行31、32列向右查找隨機數(shù)字（表43）表4-320只動物完全隨機

14、分三組結果常用統(tǒng)計假設檢驗方法計量資料：配對t檢驗、配對符號檢驗、WilCOXOn符號秩檢 驗。計數(shù)資料：卡方檢驗、一致性檢驗等。配對實驗設計的優(yōu)點： 配對設計可做到嚴格控制非處理因素對實驗結果的影響，同時使受 試對象間的均衡性增大，因而可提高實驗效率。它與成組的完全隨 機設計相比較，可 克服受試對象間由于遺傳因素的差異所引起的偏 差，同時還 可以減少樣本含量。是在自身配對設計基礎上發(fā)展的雙因素設計，可在同一對象身上觀察兩種處理的效應，并能減少誤差，提咼檢驗效 率。例如：研究A藥治療高血壓的療效，以傳統(tǒng)的抗高血壓B藥物作對照。經(jīng)隨機化將實驗動物分為兩組，一組先給A藥后再給B藥， 另一組先給E藥

15、后再給A藥。第一、二階段均為一個月，一、二階 段之間的間歇期為一周。結果見表4-4 ：表4-4兩種藥物治療高血壓的交叉實驗析因設計是一種多因素多水平交叉分組進行全面實驗 的設計方法，將兩個或多個實驗因素 的各水平進行實驗。例如：2個因素同時進行實驗，每個因素取2個水平，實驗 的總組合數(shù)有22=4個(表4-5)；如果每個因素取3個水平，則 總組合數(shù)有32二9個，即這9種組合都要進行實驗，故一般采用簡 單的析因實驗設計。析因設計可以提供三方面的重要信息：各因素不同水平的效應 大小；各因素間的表4-5 2 X 2析因設計交互作用；通過比較各種組合，找出最佳組合。如果在一次實驗中，當一個因素的水平間的

16、效應隨其他因素的水平不同而變化時，因素間存在交互作用，它是各因素效應間不獨立的表現(xiàn)。正交設計適用于多因素分析，可算出各因素不同水平對 實驗的 影響，找出最佳組合。現(xiàn)以L4(23)及L9(34)正交設 計結合例子 簡單介紹(L表示正交設計，4或9表示分4組或9組，23表 示3個因素2個水平，34表示4個因素3個水平)。例1營養(yǎng)液中有三個因素(Ca2+, K+, Mg2+),各有2個水平(高 濃度、低濃度)，要分析它們對實驗的影響，找出最佳組合，可設 計如下表4-6 :表4-6 L4(23)正交設計表中Ca2+的1水平之和為+=, K+的1水平之和為+=,o可以看出，Ca2+的差值絕對值最大，說明

17、Ca2+對實驗影響最大，且低濃度 好。K+的影響次之，高濃度好。Mg2+的影響最小，高濃度好。結論是以低 Ca2+,高K+,高Mg2+為最佳組 合。但是，這一組合在實驗中并未出現(xiàn)，但正交設計提示這 是最佳 組合，可安排復試加以驗證。例2四種藥物各有三個水平，用L9 (34)正交設計，見表4-7 :由表中可以看出甲藥影響最大，應列為主藥，大劑量較好。乙、 丙、丁三藥影響較小，可列為輔藥，最佳組合為甲藥大劑量，乙藥 大劑量，丙藥小劑量，不用丁藥。按理四種 藥物各三個水平，應做 34=81組實驗，現(xiàn)在只做9組就找出了實驗中并未出現(xiàn)的最佳組合。在正式實驗前應充分重視預試驗的重要性，小規(guī)模的預試驗是 使

18、用少量的動物得到預示性的數(shù)據(jù)或通過預試驗將操作和技術固定 并完善，即通過預試驗可了解各因素對實驗的影響，找出最適實驗 對象、用藥劑量和實驗條件及檢測指標，如溫度、刺激強度、營養(yǎng) 液組方等，為正式實驗做必要的準備，提高實驗的重復穩(wěn)定性和靈 敏度。為此，預試驗中應注意以下問題：表4-7 L9(34)正交設計(1) 實驗穩(wěn)定性：變異系數(shù)越小，說明實驗波動越小，實驗的 重復穩(wěn)定性越好。變異系數(shù)CV=O(2) 實驗靈敏度：預試驗時測定兩個有效量(Dl. D2), 測定其反應強度(El、E2)o計算因變系數(shù)，因變系數(shù)越小，實驗靈敏度越好。因變系數(shù) Cl=(E2-E1) / (lgD2-lgDl)。篩選是在

19、預試驗或既往經(jīng)驗的基礎上，用少量動物對多種藥物 或造模手段進行實驗。一般以P (1)保護性實驗(以急性毒性實驗 為例)：篩選解毒藥時，常將各解毒藥與毒劑的半數(shù)致死量(LD50) 合用，連用4只非純品系動物，如無死亡，表明該藥篩選合格(P (2)概率判別實驗：本法應用范圍更 廣，對幾只動物用藥檢測其陽性反應數(shù)，就可根據(jù) 概率論推算出該 藥陽性率的大致情況，參見表4-8 o表4-8概率判別實驗(1) 動物：多用非純品系動物(能反應個體差異)，如小鼠, 健康雌雄各半，20±2g為宜，日齡達到性成熟。(2) 實驗條件：在有控制的室溫、光照、飼養(yǎng)和衛(wèi)生條件下進 行。(3) 藥物及給藥途徑：以靜

20、脈注射、腹腔注射和灌胃為 主，最 好和臨床上給藥途徑相同。小鼠的用藥量標準為：灌胃給藥應小于 ImI ；靜脈注射應小于；腹腔注射應小于ImI另外，藥液PH值及 滲透壓應在生理范圍內。 觀察項目和時間：記錄毒性反應的癥狀、原因以及 致死時 間、致死藥量、致死動物數(shù)量等，當發(fā)現(xiàn)組織病變時，應取材做 病理切片，必要時做組織學檢查，整個實驗觀察7d(5) 實驗報告：必須說明實驗條件，制定LD50值為全面 表達 實驗結果，應求出95%可信區(qū)間和LDIO來表示誤差限度和量效關系，通過LD50 和LDIO算出LD5、LD95以及回歸系數(shù)。(6) LD50測定法：方法很多，有加權機率單位法(BIiSS法)、目

21、測機率單位法、目測圖解法、寇氏法 (KOrlbOr)等， 對短期內致死藥物還可釆用序貫法。(7) 對于中毒表現(xiàn)和致死原因的分析應給予充分重視。(1) 預試驗：根據(jù)經(jīng)驗或文獻找出實驗動物0和100%死 亡的 劑量，即上下限劑量(Dn、DmO對于無毒性參考資料的藥物，一般先 配制最大濃度藥劑，然后倍比稀釋成多個劑量，方法是每組取4只 小鼠，按估計劑量梯度依次給藥。如某組 死亡數(shù)為4/4 ,其前一 組為2 / 4或3/4則以該組劑量定為Dm如前一組是0/4或7/4, 則以該組劑量的倍定為DnI同法找出Dn,這樣找出的DmDn比較可靠， 為正式實驗提供依據(jù)。(2) 分組：以49組為宜，各組給藥劑量按等

22、比關系排列。(3) 根據(jù)實驗結果計算LD50：LD50 的 95 %平均可信限 LD50±X (LD84 一 LD16)/ 其中N，為5%95%致死率間動物數(shù)。至少釆用兩種不同種屬的實驗動物,即嚙齒類動物（大鼠、小鼠 等）和哺乳類動物（犬、猴等）。一般常采用大鼠和犬兩種,雌 雄各半,且動物數(shù)量不宜太少,要滿足統(tǒng)計學處 理的要求。動物的進 化程度越高,對藥物的敏感性越強,慢性毒性實驗的周期較長,所以要 盡量選用年齡較小的實驗動物,而且選用未成年的實驗動物在迅速生 長時期,可以發(fā)現(xiàn)藥物對生長及各組織器官成熟的影響慢性毒性實驗開始選擇的小鼠年齡最好是23周，體重8Iog ,而大鼠不超過3周

23、，體重50-6OgO但是避孕藥 物的毒 性實驗則要求必須使用性成熟動物，如小鼠應60日齡以上，大鼠 應在120日齡以上。常用三個劑量組，大動物可用兩個劑量組，并嚴格按要求設動 物對照組。高劑量組（LD50的1 /10-1/4劑量）應有 輕微可 見的毒性反應（或者某些化驗指標有明確而輕微的變化）。中劑 量組按LD50的1/30-1/10定量，最低劑量組應是閾劑量組或是無 作用劑量組，具體劑量依據(jù)實驗目的而定。最好選擇臨床試用的給藥途徑。最好是臨床試用的用藥時間（連續(xù)給藥）的34倍，臨床 用藥30d以上者，動物給藥至少半年。包括體征、常規(guī)血、尿檢查、臟器解剖及肉眼觀察、生 化指標 檢查等（如新藥則

24、按其國家規(guī)定標準核查應有項目）。做病理切 片進行組織學檢查（二十幾個臟器），必要時行骨髓檢查、酸堿 平衡、水和電解質代謝等。由于在慢性毒性實驗中，受試藥物的給藥劑量較低，往往一些 觀察指標變化程度較小，因此需注意：在給藥前要觀察并記錄預計 的觀察指標，以利于給藥后的比較；在給藥期間進行定期指標觀察 時，對照組需同步觀察；實驗結束后， 主張將最高劑量組與對照組各留部分動物繼續(xù)飼養(yǎng)12個月，以便對已出現(xiàn)變化的指標進行追蹤觀察，有助于探討受試藥物 對實驗動物有無后續(xù)作用，以及損傷可否恢復。按觀察記錄的結果定論，但不應忽視綜合因素及其他因素對結 果的影響。其選擇動物最重要的依據(jù)是對誘發(fā)腫瘤的易感性，所以應考慮 物種、品系、年齡和性別。物種的選擇對受試物有特定的靶器官時 尤為重要。同時還應考慮選擇腫瘤自發(fā)率低、抗病力強且易管理的 實驗動物，一般多選用大、小鼠，雌雄 各半，IOO只以上做一組, 動物多為近交系的第一代雜交動物。此點較難，但非常重要，一般使用三個劑量，其中最高劑量應 為最大耐受量，理想的最大耐受量不應致死，也不引起可能縮短壽 命的毒性表現(xiàn)和病理改變，并且與對照組相比的體重下降不大于 10%,中劑量為高劑量的1/41/3,低劑量最好相當于或低于人類實際可能接觸的劑量，同時應設計好 陰性對照組和陽性對照組。體征，一般癥狀，定期稱體重，最主要是密切觀察有無腫瘤發(fā) 生