动物模型与动物实验设计-实验动物实验设计与分析

项目五、动物模型与动物试验设计

任务一、实验动物试验设计与分析

*任务实施知识平台任务描述9/28/2023任务描述9/28/2023了解实验动物实验设计的基本原则，掌握动物实验数据记录的要求与基本处理方法。5

知识平台9/28/2023知识平台一、动物试验设计原则二、动物实验设计方法三、动物选择与观测指标9/28/2023知识平台四、实验数据记录与处理五、常见人类疾病动物模型六、实验数据的统计推断

*一、动物实验设计原则1.动物实验的基本程序

进行动物实验要经过选题、设计、实验、收集实验资料、整理分析实验资料和撰写论文几个阶段。9/28/2023

选题是实验设计的前提，决定研究的方向和内容，是发现问题和提出问题的过程。

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好的选题应具有创新性、科学性和可行性，需要认真查阅大量文献资料，结合实验室的条件、仪器设备，经过科学思考，找出所要探索研究的内容，形成假说，进而确立明确的研究题目；9/28/2023

动物实验设计是指研究者为了达到研究目的而制定的动物实验方案和实施计划，并用文字记录表述的过程。动物实验的结果能否达到预期的效果，很大方面取决于实验设计是否科学严密

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实验分为预实验和正式实验，前者是对选题进行初步实验，以熟悉实验技术，确定正式实验的各项条件，然后进行正式实验；实验中应准确操作，认真观察，仔细记录各项实验结果。

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*学生主体、教师引导课下教学

实验结束后及时整理实验资料，统计实验数据，分析实验结果，最终作出符合实际的科学结论并写出论文。

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（1）处理因素

即所研究问题的作用因素（物理因素化学因素）处理时，考虑处理因素的性质、作用强度或剂量、作用时间等。

*（2）实验动物的选择在实验中十分重要，对实验结果有重要影响。选择适当的注意其个体9/28/2023

（3）实验效应是指处理因素作用于实验动物后出现的反应。通过具体可观察的实验指标来衡量。

*3.动物试验设计原则实验设计应遵循随机、重复、对照的三大原则，有效的控制干扰因素，保证实验的可靠性和高效率。9/28/2023

（1）重复原则

重复是保证实验结果可靠的重要措施之一。重复具有两方面的含义，即重现性和重复数。

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重现性是指在同样的条件下，可以得到相同的实验结果。重复数是实验要有足够的次数或例数。

在实验中要有一定的重复数，可以减少个体差异和实验误差，如只有一次结果，难以下结论。9/28/2023

（2）随机原则

随机化就是在抽取样本前，要使总体中每只动物都有同等被抽取的机会，使动物样本对总体有较好的代表性，并使其抽样误差的大小可以用统计方法加以估计。9/28/2023

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随机化方法有多种，常用的有随机数字表法。随机数字表可以是动物编号123456789101112随机数目183156443729804366821237归组BABBAABABBBA动物编号123456789101112归组BABAAABABBBA9/28/2023

（3）对照原则

在实验研究中，为准确表现出特定因素产生的作用，排除各种无关因素可能产生的影响，必须设对照。注意其与试验组的可比性与对照组各因素应一致

9/28/2023不同的设计方案，可有不同的对照形式自身对照组间对照空白对照实验对照阳性对照

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1.完全随机设计：将全部实验单位用随机化的方法分配到各处理组中，比较各组的实验效应。二、动物实验设计方法

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想一想将18只小鼠分为甲、乙、丙三组，分别给予A、B、C三种药物治疗。采用完全随机设计，如何随机化分组合理？

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动物编号1

23456789101112131415161718随机数字58

7196302418462334278513992844490979序号13

141785311496162187101215组别丙

丙丙乙甲甲乙甲乙甲丙甲丙乙乙乙甲丙注：规定1～6为甲组，7～12为乙组，13～18为丙组。9/28/20232.配对设计配对设计是将实验动物按既定条件配成对子，再随机分配。每对中的两只实验动物接受不同的处理。

9/28/2023想一想将16只兔子按配对设计随机分配到甲、乙两组，分别给以A、B药物比较疗效。可将动物按分成八对，每对编号1、2，从随机数字表连续抄录八个数，奇数则该对第一只动物入A组，第2只入B组；如为偶数，则该对第一只动物入B组，第2只入A组。结果为？

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动物编号1.12.13.14.15.16.17.18.11.22.23.24.25.26.27.28.2随机数25014378处理组别乙甲乙甲乙甲甲乙甲乙甲乙甲乙乙甲9/28/20233.随机区组设计对三组以上的随机设计，可以采用随机区组法设计。均衡性好，可分析两个因素，但是要求各处理组例数相同，且具有配伍条件，若有缺项，统计分析较麻烦。

9/28/20234.自身比较设计在某些生物医学试验中，常就同一动物作比较，称为同体比较或自身对照。均衡性好，不需要特别的随机分配方法，操作简单。

9/28/20235.交叉设计（crossoverdesign）交叉设计是在自身配对设计基础上发展起来的两因素设计。

动物动物动物…第一阶段ABB…第二阶段BAA…9/28/2023

拉丁方设计拉丁方实验设计是三困素、等水平的实验设计。

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它是将r个拉丁字母排成r行r列的方阵，使每行每列中的每个字母均只出现次，这样的方阵称r阶拉丁方，或r*r拉丁方，分别按拉丁字母、行和列安排处理因素及影响因素的试验（或实验）称拉丁方试验（或实验）。

9/28/20237.析因设计析因设计是将两个或多个因素的各个水平进行排列组合，交叉分组进行试验，用于分析各因素间的交互作用，比较各因素不同水平的平均效应和因素间不同水平组合下的平均效应，寻找最佳组合。

9/28/2023由于析因设计是将每个因素的所有水平都相互组合，因此，总的实验数是各因素水平的乘积。

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8.正交设计正交设计是一种高效、多因素实验的设计。它是利用一套规格化的正交表将各实验因素、各水平之间的组合均匀搭配，合理安排，大大减少实验次数，并提供较多的信息。

9/28/20231.动物选择（1）动物类别选用哪种动物进行实验要根据实验目的、动物的生物学特性以及实验经费、动物的易得性等而定。

三、动物选择与观测指标9/28/2023药理学和毒理学研究一般选择封闭群动物，要求用两种不同种属的动物，一种是啮齿类，一种是非啮齿类。

9/28/2023（2）动物性别不同性别动物可能对药物有不同的反应。在研究中为了避免性别可能对实验结果的影响，一般选用雌雄各半。

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（3）动物年龄一般实验采用生长发育期的成年动物来进行，老龄动物一般用作老年医学研究。9/28/2023一般用于实验的动物体重为：昆明小鼠18-22g（5-6周龄），Balb/c:16-18g（5-6周龄），SD大鼠：180-220g（5-6周龄），豚鼠：350-650g，兔：2-3kg，猫：1.5-2.5kg，犬：6-15kg。

9/28/2023（4）动物健康与生理状况购入的实验动物，应进行观察和适应性饲养，证实其健康后才开始实验。

9/28/2023观察和适应性饲养时间一般为3-5天。但是药物安全性评价有特殊规定：用于长期毒性试验大鼠为1周，比格犬2周，猕猴4周。

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（5）动物数量一般情况下啮齿类大小鼠实验分组每组10-20只，雌雄各半即可满足统计学分析的要求。

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（6）给药剂量根据不同的实验目的设计给药剂量，通过预试验摸索。药物的药效作用呈不对称S型的量效关系曲线。

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（7）给药途径包括经口给药法、注射法和其他途径给药方法。

9/28/2023注射法有皮下注射、腹腔注射、静脉注射、肌肉注射以及皮内注射、脑内注射等。

药物吸收速度为静脉注射＞腹腔注射＞肌肉注射＞皮下注射。

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2.动物实验观测指标动物实验观察指标应根据实验目的确定。一般的观测指标有体重、摄食量，根据实验的不同目的可包括行为学、血液学、生化学、免疫学、病理组织学、分子生物学等方面的指标。

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实验获得的原始资料还需进一步的整理，才适合于统计分析。资料的整理包括数据的录入和清理、资料的分组、资料的汇总等几方面的内容。

四、实验数据记录与处理9/28/2023

1.数据的录入和清理在对数据录入之前，要对数据进行核实，包括对数值和度量衡单位的核实。数据的录入和清理是为了防止和减少计算机录入的错误，进一步检查数据存在的问题。

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2.实验数据的分类对实验数据进行检查和核对完成后，还需将数据进行整理。

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整理数据时应先区别原始数据是数量性状资料（包括连续性资料即计量资料和不连续性或间断性资料即计数资料），还是质量性状资料。

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不同类型的数据采用不同的整理方法。（1）计量资料：指通过直接计量而得来的以数量为特征的资料，如体重、体长、肺活量等。

9/28/2023（2）计数资料：指用计数方式而获得的资料。必须以整数表示，在两个相邻的整数间不允许有带小数的数值存在。如产仔数、成活数、乳头数等。

9/28/2023（3）质量性状资料：指一些能观察到而不能直接测量的性状资料，又称属性性状资。

9/28/20231.计量资料的统计描述主要有集中趋势指标和离差趋势指标。常用的描述集中趋势的指标有算术均数（简称均数）、几何均数及中位数等。

五、实验数据的统计描述9/28/2023（1）平均数

以算术均数最为常用。式中，X1，X2，…，Xn为各观察值；n为观察值的个数，即样本含量。9/28/2023如果是频数表资料或样本中相同观察值较多时，可采用加权法，其计算公式为：

式中，x1,x2,…xk与f1,f2,…fk分别为频数表资料中各组段的组中值和相应组段的频数9/28/2023（2）标准差标准差(S)

标准差表示的是一组个体变量间的变异(离散)程度的大小。

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S愈小，表示观察值的变异程度愈小。9/28/2023（3）标准误标准误（）表示样本均数的标准差，用以说明样本均数的分布情况，即各次重复抽样结果之间的差异。

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愈小，表示抽样误差愈小，样本均数与总体均数愈接近，样本均数的可靠性也愈大。9/28/20232.计数资料的统计描述计数资料的常用描述指标有率、比等指标。（1）率和比

9/28/2023率是一种表示在一定条件下某种现象实际发生例数与可能发生该现象的总数比，用来说明某种现象发生的频率。比是表示事物或现象内部各构成部分的比重。

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率和比计算公式：9/28/2023（2）率和比的标准误率和比的标准误是抽样造成的误差，表示样本百分率和比与总体百分率和比之间的差异，标准误小，说明抽样误差小，可靠性大，反之亦然。

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式中，Sp为率的标准误，P为样本率，当样本可靠且有一定数量的观察单位时可代替总体率。N为样本观察例数。9/28/2023

六、实验数据的统计推断1.统计推断的依据

实验结果之间的差异可能是由特定的实验处理引起，也可能是由抽样误差引起。9/28/2023

显著性检验即用于实验处理组与对照组或两种不同处理的效应之间是否有差异，以及这种差异是否显著的方法。

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显著性检验即用于实验处理组与对照组或两种不同处理的效应之间是否有差异，以及这种差异是否显著的方法。无效假设5%

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2.计量资料的统计推断（1）配对设计资料的t检验

理论上如果不同处理的效果没有实质差别，将每对数据求差，差值d的总体均数（）应该是0。

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于是可以通过对差值应用前述的组样本资料的t检验来分析配对设计资料。在这种情况下，假设检验为：H0：=0，H1：≠09/28/2023

当H0成立时，检验统计量服从自由度为n-1的t分布。从而可以按照t分布计算相应的P值，进行统计推断。其中n为对子数。9/28/2023

（2）两组独立样本资料的t检验

将受试对象随机分配成两个处理组，每一组随机接受一种处理。

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一般把这样获得的两组资料视为代表两个不同总体的两份样本，据以推断它们的总体均数是否相等。

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检验假设为

H0：μ1=μ2，H1：μ1≠μ2当H0成立时，检验统计量其中，是合并方差。

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（3）方差分析多组之间的相互比较可采用方差分析。

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方差分析的基本原理是认为不同处理组的均数间的差别基本来源有两个：一是随机误差，如测量误差造成的差异或个体间的差异，称为组内差异，以组内离均差平方和（SS组内）表示，二是不同的处理造成的差异，称为组间差异，

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以组间离均差平方和（SS组间）表示。总离均差平方和（SS总）等于各部分离均差平方和之和，即SS总=SS组间+SS组内。

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总变异的离均差平方和为各变量值与均数（）差值的平方和，计算方法如下：

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自由度df总=N-19/28/2023

df组间=n-kMS组间=SS组间/df组间9/28/2023

组内离均差平方和为各处理组内部观察值与其均数（i）差值的平方和之和，组内离均差平方和、自由度和均方计算方法如下：

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df组间=k-1MS组内=SS组内/df组

定义

F值为MS组间/MS组内，用F值与其临界值比较，推断各样本是否来自相同的总体。9/28/2023

3.计数资料的统计推断X2检验

也称卡方检验，常用于计数资料的统计。9/28/2023

例如A、B两组，其对某一药物的反应如下（四格表），比较两组之间是否有差异