浅谈3R原则及其在实验设计中的应用

苑 博

（天津医科大学基础医学院，天津 300070）

浅谈3R原则及其在实验设计中的应用

苑 博

（天津医科大学基础医学院，天津 300070）

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。

3R原则;实验设计;应用

1 3R原则

3R原则是1959年英国动物学家William Russell和微生物学家Rex Burch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。

2 3R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。

从实际情况上看，国内建筑业的迅速发展主要是依赖经济的进步，人们对建筑质量有更高的要求，对建筑水平也提出了更多的要求，这些都是促进建筑业整体发展的重要因素。而国内建筑业取得了不错的成就，在技术以及管理上都是在不断进步的，安全管理是建筑建设中最关键的管理内容，加强管理的力度可以让人们更加相信建筑的可靠性。在施工中建筑安全监督也是不可缺少的，这对保证现场的安全以及居民的安全都有非常深远的影响，对人们的生命健康以及财产安全都有直接的影响。因此在建筑建设中质量安全的严格监督是必不可少的[1]。

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2 cm，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。

[1] Peter Singer.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] Russell WMS，Burch RL．The Principles of Humane Experimental Technique[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．

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

天津医科大学教学研究基金。

苑博,硕士,助理实验师,研究方向:机能学实验室管理。