一、樣本量估算的目的

實驗動物是構建研究模型的必備素材，是新藥研發，生理病理機制，毒理學，藥物代謝動力學研究中不可缺少，也無法替代的關鍵環節。對於實驗動物研究者應當遵循3R原則，即替代（replacement），減少（reduction）和最佳化（refinement）。估算實驗動物的樣本量則著眼於第二個R—減少（reduction）。

臨床試驗中樣本量估算的議題現如今已經得到了足夠多的重視，各種臨床試驗相關指南如CONSORT，SPIRIT都對此進行了詳盡規範。然而，對於動物實驗中出現的相同問題，似乎並未如其在臨床試驗中那樣被廣大研究者和科學家們所關心。隨著科學研究的發展，各學科對實驗動物的需求量不斷增長；倫理學規範也引發人們對動物福利和科學道德的重視。此外，實驗動物樣本數量的模稜兩可甚至會導致研究結果被誤讀。ARRIVE（動物研究：體內實驗報告）指南中明確要求動物實驗報告解釋如何確定實驗動物所需樣本量，並提供樣本量估算的詳細資訊。

每次申請實驗動物的時候都是一次和倫理委員會博弈的過程。之前申請實驗動物已經歸零，為了開展新的研究需要再次申請一批小鼠。不出意外，我又雙叒叕收到了來自實驗動物倫理委員會的靈魂質詢。

What is the basis of choosing n=20/group？

How was this number estimated？

Please calculate the power of the study required and base the group size on this power calculation。 There is less concern as to the number of animals chosen， but more as to that the power of the experiment is adequate， and the design is appropriate。 Underpowered yielding meaningful results are low， thus the animals are wasted。

我懷疑他們有個質詢模板，可能就是參考ARRIVE做的。

二、動物實驗如何估算樣本量

實驗動物的樣本量估算其實和臨床研究樣本量估算的原理相同，都需要透過研究的效應量進而估計得到所需樣本數量，以此獲得足夠的效能（power）來進行統計分析並得出相對可靠的結論。目前常用的估算方法有以下兩種：

基於功效檢驗的樣本含量估算

基於收益遞減法則的樣本含量估算

方法1

需要已知的最重要的引數為：

效應量（各組關鍵指標的均數）

標準差（各組關鍵指標的標準差）

一類錯誤機率（α）

統計功效（power=1-β），其中β為二類錯誤機率

通常還要考慮如模型失敗，動物死亡等原因造成的損耗率，通常在10-20%左右。該方法也是臨床試驗中樣本含量估算的常用方法，優勢在於結果穩健且易於解釋。但它也並非完美無缺，因為需要提前透過預實驗或發表文獻中獲取每組動物的效應量和其標準差，在一些場景下則無法使用，當無法取得關鍵指標的既往資訊時（無效應量和標準差）該方法則無法使用。此時方法2則可以作為替代方案。

方法2

透過方差分析的自由度（E）進行估算，E的取值範圍應在10-20之間，如果當計算的E小於10則說明應當增加每組的動物數量，以此提高其產生顯著性水平結果的可能；當計算的E大於20時則說明估算的動物數量過多，並不能繼續提高其產生顯著性水平的結果的可能，造成實驗動物的浪費，所以應當減少每組的動物數量。其中E的計算公式如下：

E=各組實驗動物之和-組數

以CCMR對我的質詢為例，如當實驗動物數預計需要120只（6組*20只/組），組數為6組包含空白對照組，手術組，假手術組，低劑量藥物組，中劑量藥物組，高劑量藥物組時，此時E=120-6=114，E大於20，則說明動物數量過多，應當減少。如果根據方法2中E的取值範圍（10-20），則每組在4-5只左右。很顯然，方法2的優勢在於可以對無效應量的預實驗進行估算和探索，但劣勢也顯而易見，結果看上去1分冷漠、2分涼薄、3分譏誚、4分漫不經心。。。

三、動物實驗報告指南

The ARRIVE Guidelines (Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments)

ARRIVE （動物研究： 體內實驗報告） 指南是由英國國家實驗動物替代、最佳化和減少研究中心（National Center for the Replacement， Refinement and Reduction of Animals in Research， NC3Rs）制定，旨在透過提高動物研究設計，分析和報告的質量，使報告的資訊量最大化並將不必要的研究減至最低程度。自2010年6月在PLOS Biology 上首次發表後，便得到了多家科研雜誌和學術機構的支援。如《英國藥理學雜誌》（British Journal of Pharmacology），《美國骨與關節外科學雜誌》（The Journal of bone and joint surgery。 American volume），《腦血流和代謝雜誌》（Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism）等雜誌均要求動物實驗研究論文需遵循ARRIVE指南條目進行規範報告。

正確利用該指南設計、實施和報告可以提高動物實驗的可重複性、透明性、精確性和邏輯性，促進科研成果在科學界得到更廣泛的交流。

2020年7月，ARRIVE 2。0釋出，對內容進行了更新，中文版由中國EQUATOR中心的卞兆祥教授和段玉婷博士、諾和諾德中國研發中心的白玉博士翻譯，可透過下方連結下載。

香港大學比較研究醫學中心（Centre for Comparative Medicine Research，CCMR）提供了一個免費的Excel計算器方便估算（兩組）實驗動物的樣本量，獲取地址請點選下方連線，詳見“Animal sample size calculations for anticipated means or from pilot study or publication data”：

此外，一般情況下兩組（實驗組vs對照組）t檢驗或多組間比較的單因素方差分析即可對樣本含量進行初步估算，但當實驗設計型別複雜以上檢驗方法無法滿足需求時（如需要雙因素方差分析［two-way ANOVA］，重複測量方差分析［RM-ANOVA］，多元方差分析［MANOVA］等）推薦使用

G*Power

軟體，這是一款適用於Windows/Mac OS平臺系統的免費軟體，由Heinrich-Heine-​Universität Düsseldorf（杜塞爾多夫海因裡希·海涅大學）開發，從軟體名稱就可以看出來它精於功效檢驗，關於軟體使用可以閱讀其附帶的使用手冊，網路上也有相關教程可供參考，軟體下載請點選下方連結卡片

感謝G*Power的開發者Axel Buchner， Edgar Erdfelder， Franz Faul和Albert-Georg Lang

這麼多檢驗方法，總有一款適合口味挑剔的你

最後，人類的進步和發展離不開因研究而犧牲的實驗動物，應虔誠慎重的進行動物實驗。遵循3R原則（替代，減少和最佳化），善待它們。

參考資料

The Principles of Humane Experimental Technique， Methuen， London。

The ARRIVE guidelines 2。0： updated guidelines for reporting animal research。

PLoS Biol。

How to calculate sample size in animal studies？

J Pharmacol Pharmacother

G*Power 3： A flexible statistical power analysis program for the social， behavioral， and biomedical sciences。

Behavior Research Methods