Essential standards of biometrical sample size calculation for animal experiments in preclinical research in terms of the 3R

Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 131

DOI: 10.2376/0005-9366-17091

© Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG. 2018

Publiziert: 06/2018

Zusammenfassung

Tierversuche stellen noch immer einen unverzichtbaren Baustein der humanmedizinischen Grundlagenforschung dar. Im Rahmen der Beantragung entsprechender Versuchsvorhaben sind neben ethischen vor allem rechtliche Rahmenbedingungen maßgebend, wie beispielsweise die EU-Direktive 2010/63/EU oder speziell in Deutschland die Tierschutz-Versuchstierverordnung. Eine zentrale Forderung in diesen Richtlinien ist eine fundierte statistische Planung zukünftiger präklinischer Projekte mittels geeigneter Berechnungsverfahren. Die Fallzahl soll einerseits so gering wie möglich sein, um dem Reduction-Aspekt der 3R gerecht zu werden, andererseits sollten die präklinischen Experimente jedoch eine ausreichend große Anzahl von Tieren einschließen, um tatsächlich bestehende Effekte auch mit großer Wahrscheinlichkeit entdecken bzw. nachweisen zu können. Dieser Artikel fasst die Annahmen der biometrischen Fallzahlplanung allgemein zusammen und diskutiert anschließend die grundlegenden Probleme, die sich im Rahmen von Tierstudien der präklinischen Forschung zwangsläufig durch die Verwendung kleiner Gruppengrößen ergeben. Diese sind maßgeblich darauf zurückzuführen, dass verfügbare Vordaten sehr eingeschränkt sind in ihrer Validität. Zudem gibt es zwar eine klare Unterscheidung zwischen explorativen und konfirmatorischen Versuchen bei der Antragstellung, welche jedoch im Rahmen der Fallzahlplanung nicht konsequent umgesetzt wird, da im Falle von konfirmatorischen Analysen ein korrigiertes Signifikanzniveau im Rahmen der Fallzahlschätzung verwendet werden müsste. Im weiteren Verlauf werden verschiedene Lösungsansätze vorgestellt und ein standardisiertes Vorgehen bei der biometrischen Fallzahlplanung formuliert. Anhand eines Anwendungsbeispiels wird eine typische Fallzahlschätzung exemplarisch durchgeführt, bevor abschließend ein Fazit für die Praxis präklinischer Tierstudien gezogen wird.

Summary

Animal experiments are still an indispensable element of human medical basic research. Corresponding projects have to be in accordance with both ethical and legal guidelines, e.g. the EU directive 2010/63/EU, or especially in Germany the Tierschutz-Versuchstierverordnung. An important demand in these guidelines refer to a profound statistical planning of future preclinical projects by means of appropriate analysis methods. Of course, the sample size shall be preferably small in order to meet the requirements of the reduction aspect of the 3R, but at the same time the sample size should be sufficiently large to prove actually existing effects. This article gives a summary of the assumptions of biometrical sample size estimation. Afterwards, some general problems will be discussed, which are mainly due to the small samples usually applied in preclinical animal studies. Existing preliminary data are of limited validity. Another issue is that, although there is a clear distinction between exploratory and confirmative experiments when applying for animal studies, statistical sample size estimation currently does not consistently implement these concepts in practice, since in case of confirmative studies an adjusted type 1 error would have to be assumed when estimating the sample size. Different approaches to solve these problems are presented afterwards, and a standardized proceeding for the statistical calculation of the sample size is proposed. By means of an application example a typical sample size estimation is demonstrated. Finally, a summary for practice in preclinical studies is offered.