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实验设计典型错误辨析

点击次数:1295 发布日期:2017/08/06 来源:华斯泰

了解人们在实验设计中常犯的错误,围绕实验设计的三要素(即实验因素、受试对象、实验效应)和四个基本原则(即对照、随机、重复、均衡)去查找问题,同时,不要忽视人们在实验设计中常用“单因素设计取代多因素设计”和“仅依据专业知识去设计对照组和处理组”的不良习惯。
1只有专业设计,缺乏统计研究设计
很多实际工作者,在开展实验研究之前,只从专业角度考虑问题,很少从统计学角度考虑问题,以至于仅根据“1、2个”动物或患者的观测结果,就作出带有“规律性的结论”来;从一些中高档科研成果的档案中我们不难看到一卷又一卷的“科研流水帐”,但很难寻觅到“完善的实验设计方案”;有些研究工作从表面上看似乎也遵守了实验设计的四个基本原则,但每一个原则都遵守得不严,以至于实验设计“漏洞百出”。显然,在这样的实验方案的指导下,得到的结果和结论恰似“墙上芦苇,头重脚轻根底浅”,有时甚至是“荒唐透顶,颠倒黑白”!
2 临床科研流程倒置
笔者在审阅大量临床研究论文时,产生的印象是很多科研工作的“流程”倒了。按理说,进行一项科研工作,首先应当有科研假设,对科研假设深思熟虑之后,提出研究目标和实现目标的思路。在此基础上,结合专业知识和统计学知识,制定出完善的统计研究设计方案,在方案的指导下,有的放矢、循序渐进地开展科研工作。然而,很多临床科研工作采取的是“回顾性研究策略”。也就是说,临床研究工作已经结束了,因晋升职称等的急需,赶写学术论文,翻阅临床病历,对其加工整理,从而撰写出所谓的“临床科研论文”。这种回顾性的研究工作,往往因事先缺乏完善的统计研究设计,在“随机、对照、重复、均衡”四个实验设计原则方面存在严重问题,以至于推理证据不充分,说理底气不足,其结论难以令人置信。有些科研工作,由于在实验设计方面、资料的统计分析方面存在严重错误,导致其得出了错误的结论。在临床科研工作中,此类问题具有较大的普遍性,应当引起临床科研工作者和有关业务主管部门的高度重视。
3 缺乏完善的实验设计方案
原文题目:静息细胞法研究影响西索米星生物合成因素,原作者需要摸索不同的条件以筛选出较为理想的静息细胞培养基,静息细胞培养基的组成应采用尽可能简单的已知成分的原料,能维持菌种最低限度的生命活动和继续合成西索米星(SISO)的能力。通过表1-1-1列出的不同成分与配比的培养基进行实验,从中可以看出1#、2#配方发酵效价较高但成分较复杂,菌体总核酸(ΔCNA)较大,菌丝生长不符合静息的要求,说明天然成分虽能提高效价,但菌体也增加,一般不采用;3#配方发酵效价较5#低,在促进SISO合成能力方面不理想;4#、6#由于缺乏Mg2+,合成产物能力较差,说明Mg2+与合成产物的酶类的活性有关,并与细胞的通透性有关,Mg2+的存在有利于产物分泌,5#为成分完全已知的较为理想的静息细胞培养基。然后以5#培养基为基础,选择不同种龄(26~42h),均在34℃培养20h后测其生物效价,结果发现种龄不足26h生物效价很低,38~40h达高峰,故确定40h种龄的菌丝为静息培养系统的种子。
表 静息细胞培养基配方的筛选
成分(%) 1# 2# 3# 4# 5# 6#
淀粉 1.0 X X X X X
酵母膏 1.5 X X X X X
玉米浆 1.0 0.5 X X X X
葡萄糖 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 X
硫酸镁 0.1 0.1 0.1 X 0.2 X
氯化钠 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
硝酸钾 0.5 0.5 0.1 X 0.5 0.1
碳酸钙 0.5 0.5 1.0 0.2 0.5 0.3
生物效价(u/ml) 139.7 68.9 43.6 32.4 64.3 20.1
ΔCNA(g/5L) 2.01 0.73 0.37 -0.15 0.07 -0.18
“X”表示各号配方中未用的左边相应的成分。
为了确定静息培养基的最佳PH,又用5#培养基,40h种龄的菌种固定其他条件,在不同pH下进行发酵,得到结果认为以pH7.0~pH7.2时对SISO合成最有利。又固定其他条件,用不同培养时间进行实验,确定最佳培养时间为20h。在确定了建立静息细胞培养系统的条件后,原作者又采取类似的做法,来摸索影响SISO合成的条件。最佳条件的摸索都是先固定其他条件,然后比较某一因素的不同水平的取值,选择取值最大的所对应的水平为最适的水平。这样依次确定的最适条件为:甲硫氨酸浓度为0.1%,磷酸盐浓度为0.03%,开始合成SISO的时间是培养后30h。
【辨析与释疑】从文章中可以看出原作者的目的主要有两个,一是筛选出建立静息细胞培养系统的最优实验条件,另一个是在此培养系统的基础上进一步找出合成SISO的最适条件。原文涉及的因素众多,而原作者仅做了六批实验,就认为5#方案是最优方案,从某种意义上讲,这只能算是预试验,通过这六批试验,认为不宜采用淀粉、酶母膏等天然成分,这样可以在实验设计中不加天然成分,并可根据预实验的结果,确定各因素不同水平的取值。原作者在确定每个因素最佳水平时,总是先固定其他因素在各自的某个水平上,每次只让该因素的水平变化,等找到该因素的所谓“最佳水平”时就固定不变了,用同样的思路再依次去寻找其他因素的所谓“最佳水平”,最后将全部因素的所谓“最佳水平”组合在一起,就得出所谓“最优实验条件”。这就是人们进行多因素实验研究时习惯的做法,即:“用单因素设计取代多因素设计”。一般说来,当因素之间存在一定程度的交互作用时,各因素不同水平的组合对结果的影响较大,用多次单因素实验所得出的条件组合起来,其结果往往并不是很理想的,有时反而会很糟糕。
实验设计之前最好结合专业知识进行一定规模的预试验,来确定实验所需要的因素及各因素不同水平的具体取值,这样可以在设计时做到“有的放矢”,胸中有数,通过完善的实验设计,可节省人力物力,通过较少的实验得到较为可靠的结果,针对本实验,可以采用正交实验,确定要考虑的实验因素及各因素的具体取值,选择合适的正交表,按照配套的表格收集数据,这样可以分析出各因素的主效应及部分因素之间交互作用的效应。如果试验次数太多,可使用均匀设计或分式析因设计,进行探索和因素筛选。在此基础上,将具有统计学意义的因素进一步作正交设计或析因设计,以便获得较为稳定的实验结果。
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