《科研基础必修课---实验设计》：实验设计四原则案例分析

    “在论文写作之前，实验设计是一个不可忽视的关键问题。

      很多文章有好的idea，却因为实验设计不合理而被拒稿。比如没有遵从盲法或随机化的原则，缺乏足够的数据做统计分析等。当作者收到期刊编辑或审稿人诸如此类的意见时，往往为时已晚。”

      1.实验设计的重要性

      生命是一种复合体，不可能由一个成分（一种基因或蛋白质）构成，大自然更是具有“不可简化的复杂性”的系统。

      随着基因芯片、高通量测序、高通量蛋白质组学的发展，一次可以检测出的基因和蛋白数成千上万，加上基因与蛋白质之间的相互作用关系，实验因素的增多，实验数据处理组合数将按几何级数增长，即使高速运行的大型计算机也无力承担。

      实验所需的时间、经费也无法得到满足。

      在因素和水平数目较多时，基于统计学原理，科学合理地减少实验因素以达到研究的目的就需要正确的实验设计来实现。

      2.实验设计的基本原则及案例分析

      从设计的统计要求看，一个完善的实验设计方案应该符合四原则。

      2.1随机化原则

      由于客观条件的限制，科研往往从总体中抽出一定数量的对象为样本进行研究，得出规律，推及总体。

      为使样本能代表总体，就需要缩小抽样误差，让总体中的每一个个体都有均等的机会被抽取作为样本或被分配到实验组及对照组中去进行研究，这就是随机原则。

      案例：

      现有24只小鼠，其中16只雌性，8只雄性，若采用完全随机化方式将他们均分成实验组和对照组。会不会出现实验组中的12只小鼠全是雌性的，对照组中有4只雌性、8只雄性小鼠的可能？

      辨析与释疑：

      如果实验用药有性别有选择性用药，「性别」这个重要的非实验因素就严重地影响正确评价，甚至得出歪曲事实的结论来。

      这时，应该采用「分层随机化」。先用完全随机化法将16只雌性小鼠随机均分成两组，实验组和对照组各8只；再用完全随机化法将8只雄性小鼠随机均分成两组，实验组和对照组各4只。这样，实验组和对照组都各有12只小鼠，其中雌性和雄性小鼠分别为8只与4只，即「性别」这个重要的非实验因素在实验组和对照组中所施加的影响是均衡的。

      2.2 对照原则

      为了消除非处理因素对实验结果的影响，把实验因素的效应分离出来，需要将接受处理因素的设为实验组，同时设立对照组（除处理因素外，对照组与实验组对等的非处理因素），控制各种已知的非处理因素产生的系统误差的基本措施。

      案例：

      在骨髓间充质干细胞移植治疗脊髓损伤实验中，实验组损伤大鼠注入干细胞悬液，而对照组损伤大鼠没有任何操作？

      辨析与释疑:

      移植的手术操作会不会造成伤害和影响？移植进去的细胞悬液里的液体即便很少，但会不会改变病灶处的压力，会不会影响其微环境？对照组也应该注入不含细胞的等体积细胞培养液，除了没有干细胞，其他都同于实验组。

      2.3 重复性原则

      为了避免把个别情况误认为普遍情况，把偶然性或巧合的现象当成必然的规律，就需要对同一实验条件下对同一贯彻指标进行多次重复观测；任何实验结果的可靠性应经得起重复实验的考验，重复实验是检查实验结果可靠性的唯一方法。

      案例：

      韩春雨团队在世界顶级学术期刊《自然•生物技术》上发表新的基因编辑技术NgAgo-gDNA，被视为挑战CRISPR-Cas9的一把“新剪刀” ，也可实现对目标基因的有效切割。论文发表后，生物学相关专业的实验室也竞相去重复他的实验，中国以及国外都有学者公开表示无法重复论文中描述的实验，这项研究成果遭到多方质疑。

      辨析与释疑：

      科研论文是否具有可重复性，是科学研究的重要基础之一。 在实验中涉及：1.生物学重复（指样本重复），比如3只小鼠，同时做一种处理，就是三个生物学重复。2.技术重复：一般是三次实验，比如对一块组织，提了三次RNA，做三次real timePCR（实时荧光定量PCR）。

      2.4 均衡分配原则

      即实验组和对照组或各实验组之间，除了观察的受试因素外，其他一切条件应尽可能相同或一致，均衡分配到各组。

      有人认为「均衡原则」可以去掉，理由是它已包含在「随机、对照、重复」3个原则之中了。在一些实验中，这3个原则实施了，但很多组间却缺乏可比性，其实质就是无视「均衡原则」所致。

      案例：

      研究某新药治疗高血压的效果，随机将患者分为两组，结果实验组（男70例，女5例，平均年龄61岁(40～73岁)）；对照组（男30例，女42例，平均年龄53岁（40～55岁））

      辨析与释疑：

      药物为实验因素，但参与实验的因素决非药物一种因素，患者的年龄、性别、病程及生活环境等因素也影响降压效果，这些除实验因素以外的影响因素称为非实验因素。如果这些非实验因素在各处理组中分布不均衡，实验结果则无法唯一地用实验因素来解释。从而导致实验的彻底失败。

      以上4原则保证了研究结果免受已知的或未知的偏倚因素的影响，使研究结果和结论更真实可靠。

      当今，从一个新的化合物的发现到药物获得上市批准，往往需要超过10年的时间和超过10亿美元的花费。由于实验设计的不恰当而导致错误的实验结果。不仅浪费了金钱和时间，更是挥霍了患者生存的希望。

      一个完善的实验设计应该考虑到如下问题：

      1.合理安排利用人力、物力、时间

      2.合理安排实验因素、有效控制非实验因素

      3.提前考虑实验过程中可能的意外情况及对策

      4.采用科学合理的实验操作方法及实验数据收集、整理、分析方式

      5.切勿遗漏重要贯彻因素及实验指标

      参考文献

      1.孙振球，徐勇勇.医学统计学（第4版）[M].人民卫生出版社.2014

      2.刘文卿. 实验设计[M]. 清华大学出版社有限公司, 2005

      3.姚晨. 医学研究设计中的统计学考虑[J]. 北京大学学報 (医学版), 2006, 38(6): 660-664.

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