医疗器械动物实验评价原理与相关法规

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本文转载自 NMPA的法规汇总

自2016年3月23日发布的《医疗器械临床试验质量管理规范》中规定：医疗器械临床试验前，申办方应当完成试验用医疗器械的临床前研究，其中包括动物实验等内容。一般来说，首次用于植入人体的第三类医疗器械，应当具有该产品的动物实验报告。其他需要由动物实验确认产品对人体临床试验安全性的产品，也应当提交动物实验报告。

本节将从以下8个方面阐述医疗器械动物实验评价的原理与方法：

• 动物实验思维原理

• 动物实验中常用动物实验动物的选择

• 动物实验材料准备与实验室操作规范

• 动物实验基本技术方法

• 动物实验设计及数据处理分析

• 动物实验的影响及控制

• 实验动物管理法规和动物实验的局限性

• 医疗器械动物实验相关法规
  

  
  

一 、动物实验思维原理

动物实验，是指在实验室内，为了获得有关生物学、医学等方面的新知识或解决具体问题而使用动物进行的科学研究。动物实验必须由经过培训的、具备专业技术能力的人员进行或在其指导下进行。动物实验是根据实验目的，恰当地选用标准的并符合试验要求的实验动物，在设计的条件下，进行各种动物实验，观察、记录动物的反应过程与反应结果，以认识受试物作用的特点和规律，为评价受试物可能产生的临床作用提供科学依据。动物实验可用如下公式表示：
       实验动物的总反应=（动物种间的共同反应+动物品种、品系特有的反应+动物的个体反应）*环境因素（包括实验处理）引起的反应+实验误差。要想获得正确可靠的动物实验结果，就必须了解影响动物实验结果的各种因素，排除各种影像实验结果的干扰因素，对动物实验质量和动物实验各环节实行控制。
    二、动物实验中常用实验动物的选择

  实验动物的选择是动物实验中首先要考虑的问题。因为实验动物选择恰当与否的关系到试验质量的高低、经费开支的多少、研究途径正确与否以及实验方法的简单与繁琐问题，甚至会影响到试验的成败及研究结果的正确性。
（一） 选择实验动物的原则

• 相似性原则
     选择与人体结构、机能、代谢及疾病特征相似的动物，利用其某些与人类相近似特性，通过动物实验对人类疾病发生和发展规律进行推断和探索。一般来说，动物进化程度越高，其功能、代谢、结构越复杂，反应就越接近人类，而有些动物进化程度不一定很高，但是某些组织器官的结构却与人类相似。

• 差异性原则
  各种动物之间存在基因型、组织型、代谢型、易感性等方面的差别也是实验可比性内容，这种差异有时可作为研究所需的一种指标或特殊条件。尽量选用不同种系存在的某些特殊反应或刺激敏感的动物。

• 匹配性原则
  选择动物类别或级别时，应根据实验目的要求，综合评价所选用的动物质量是否与实验设计、技术条件、试验方法相适应，应避免应用高精尖仪器、试剂和低标准、低反应性能动物相匹配；或用低性能测试手段与高标准、高反应性动物相匹配的结合。

• 易获性原则
  在不影响实验结果正确可靠的前提下，尽量选用易获得、易饲养、易繁殖的比较经济实用的实验动物进行实验研究。

  
  

（二）实验动物选择时应注意的问题

• 年龄、体重
  不同品种和品系的实验动物其寿命各不相同，有的以日，有的以月，有的以年计算。如果对狗和小鼠均观察一年，所反应的发育过程是不同的，即使同样是狗，不同的年龄阶段所得的实验数据也不相同。所以选用实验动物时，应注意到实验动物之间、实验动物与人之间的年龄对应，以便于进行分析和比较。同一实验中，动物体重尽可能一致，若相差悬殊，则易增加动物反应的个体差异，影响实验结果的正确性。

• 性别
  性别不同对实验的敏感度不同。一般来说，实验若对动物性别无特殊要求，则宜选用雌雄各半。

• 生理状态
  动物如果怀孕、哺乳等对实验结果影响很大，因此实验不宜采用特殊生理状态下的动物进行。如在实验过程中发现动物怀孕，则体重及某些生理生化指标均可受到严重影响，此时应将怀孕动物剔除。

• 健康状况
  动物的健康状况对实验的结果正确与否有直接的影响。健康动物从外观看，体型丰满、发育正常、被毛浓密有光泽紧贴身体、眼睛明亮活泼、行动迅速、反应灵敏、食欲良好。

  
  

（三）常用实验动物

• 小鼠 小鼠是当今世界上研究最详尽、应用最广泛的实验动物。

• 大鼠  由于大鼠体型较小，遗传学和寿龄较为一致，对实验条件的反应也较为近似，常被誉为精密的生物工具。

• 豚鼠  

• 地鼠

• 兔

• 犬

• 猫

• 猪

• 非人灵长类动物  非人灵长类动物在组织结构、生理和代谢功能等方面同人类相似，是很重要的实验动物。
  

  
  

三、动物实验材料准备与实验室操作规范

（一） 动物实验材料准备
    动物实验材料的准备应根据实验目的、实验规模（实验动物数目）、动物实验周期等来确定。应依据计划所用的动物等级来选择相应的标准动物实验室。

（二）动物实验主要操作规程
操作规程是动物实验管理规范化建设的重要内容。标准化操作规程通常是指以书面文件形式制定的具有可操作性、实用性的常用实验操作规程。规程的编写应尽量全面，尽量涵盖所有重要程序或操作步骤。所用语言应简洁明了、准确、不繁琐、不重复、不产生歧义。

• 工作人员进出设施的操作规程；

• 实验动物进出设施的操作规程；

• 饲料、笼具、饮水及其他物品进出设施的操作规程。

• 动物实验申请、动物申购、动物验收的操作规程；

• 饲料申购、饲料验收保管和领取及其他物品申购和验收的操作规程；

• 实验动物采购、运输的操作规程；

• 实验动物检疫、观察、分组和个体标记的操作规程；

• 各种实验动物饲养管理的操作规程；

• 动物实验操作的操作规程；

• 动物异常死亡、患病时处置的操作规程；

• 高压灭菌器、传递窗、药液渡槽、风淋器使用的操作规程；

• 各种动物实验仪器设备使用操作规程；

• 动物实验室的卫生、清洁、消毒的操作规程；

• 动物笼盒、盒盖、饲料盒、饮水瓶、笼架、其他用品的清洗和消毒操作规程；

• 工作服、工作鞋洗涤、消毒、交换的操作规程；

• 废弃物和动物尸体处理的操作规程；

• 实验动物环境指标检测的操作规程。
  

  
  

四、动物实验基本技术方法
   动物实验的基本技术方法是多种多样的，在生物医学领域内都有其不同的应用，其中一些基本方法都是共同性的，如动物的选择、抓取、固定、麻醉、脱毛、给药、采血、采尿、急救、处死、尸检等，不管是从事何种课题的医学研究都要用这套技术方法，因此，动物实验基本技术方法，已经成为医学科技工作者必须掌握的一项基本功。

五、动物实验设计及数据处理分析
（一）动物实验设计的基本原则
      由于动物实验的对象是特定的生物体，其个体之间存在着一定的差异性，为了保证实验结果的准确、可靠，必须对实验进行设计，以便控制可能影响实验结果的各种条件。进行实验设计必须遵循的基本原则是随机、对照和重复。

• 随机原则
  随机是减少实验材料差异的最基本的方法，通过随机的方法，将客观存在的各种差异对实验结果的影响降低到最小。在生物实验中，虽然可以通过不同的质控方法控制实验条件，但仍然不可避免由于各种差异造成的影响，特别是在动物实验中，动物间的个体差异是无法排除的客观存在，对这种差异就可以通过随机的方法，分配到各实验组中。使这种差异不至于影响到实验结果。

• 对照原则
  在实验研究中，为准确表现出特定因素产生的影响，必须设立对照。比较研究是科学实验不可少的条件，没有比较就难以鉴别，也就缺乏科学性，所以实验设计必须设立对照组。

• 重复原则
  重复是保证实验结果可靠性的重要措施之一。重复具有两方面含义，即重现性和重复数。

  （1）重现性
  是指在同样的条件下，可以得到同样的实验结果。只有能够重现的实验结果才是科学可靠的实验结果；不能重现的结果可能是偶然现象，偶然获得的结果，是没有科学价值的。实验中偶然结果的可见于两种情况：一是由于某些非常规的因素引起的假象，是错误的结果；二是由于尚未认识的影响因素导致的客观表现，但由于对影响因素缺乏足够的认识，暂时不能获得重复的结果。对于前者，要及时排除，减少假象干扰，而对于后者，如果获得的结果具有重要价值，而且符合逻辑，则应该认真研究影响因素，以求实现结果的重现。无论何种情况，不可重现的结果都是没有价值的结果。
  （2）重复数
    是指实验要有足够的次数或例数。如进行动物实验，在每一次实验中需要使用一定数量的动物，对于其他实验，也应该有一定次数的重复。在实验中要求一定的重复数具有两方面的意义：一方面是消除个体差异和实验误差，提高实验结果的可靠性。在适当的范围内重复越多，获得的结果就越可靠。另一方面是对实验结果的重现性验证。因此，在实验中设置一定的重复数，是动物实验的基本要求。
  （二）常用的实验设计方法
  （1）单组比较设计   是以动物自身作对照，即在同一个体上观察给受试物前后某种观测指标的变化。

  
  

（2）配对比较设计 是实验前将动物按照性别、体重或其他有关因素加以配对，以基本相同的两个动物为一对，配对若干对，然后将一对动物随机分配于两组中。两组的动物数、体重、性别等情况基本相同，取得均衡。减少误差及实验动物的个体差异。
（3）随机区组设计  是配对设计的扩大，将全部动物按照体重、性别及其他条件等分为若干组，每组中动物数目与拟划分的组数相等，体质条件相似，再将每个区组中的每一只动物进行编号，利用随机数字法将其分到各组中。
（4）完全随机设计  通常用随机数法进行完全随机化分组。
（5）拉丁方设计 （6）正交设计（7）序贯设计（8）优选法设计

（三）动物实验数据的处理与分析
（1）实验数据的记录和贮存：在动物实验中获取的原始资料或各种数据都要做到记录清晰、准确、规范，对于记录到的数据应注意保存，做好备份。
（2）实验数据的检查和分组：实验获得的原始数据应及时检查数据本身是否有错误、取样是否有差错和不合理的订正。根据所得数据中所含变数较多少确定是否分组，当变数不多时（30个以下小样本）不必分组，直接统计分析。当变数较多时，需要分组进行统计分析。
（3）实验数据的统计分析：对获得的动物实验数据资料经整理和初步统计描述后，必须采取相应的统计分析方法进行比较，即进行显著性检验。
六、动物实验的影响及控制
（一）遗传因素对动物实验的影响及控制
     不同种属类哺乳动物，其生命过程有一定的共性，这正是科学实验中可以应用实验的动物基础。但另一方面不同种属的动物在解剖、生理生化特征和各种反应上又具有个性。例如，某种致病微生物对同一种刺激的反应也有较大差异。因此要熟悉这些种属差别，寻找最合适的实验动物来进行试验。
（二）生物因素对动物实验的影响及控制
     生物因素涉及同种动物因素和异种生物因素。同种动物因素包括社会地位，势力范围和饲养密度等。异种生物因素主要指微生物、寄生虫及人等因素。
（1）同种动物因素实验动物：实验动物要有适合的活动面积和空间。
（2）异种生物因素异种动物之间可产生互相的影响。不同品种、品系的动物应分室饲养；
（3）病原微生物对实验动物的影响特别是动物潜在感染往往无临床症状和体征，因此一定要选择清洁级别，最好是SPF级别动物进行试验。
（三）实验技术环节因素对动物实验的影响
      动物是由人饲养管理和进行实验的，饲养管理和科研人员的素质直接影响动物实验的结果。要爱护动物、善待动物，要合理设计实验，严格按照标准实验操作程序去做工作，才能获得到准确的实验结果。
（1）动物实验要求按照实验室操作规范和标准操作规程严格执行：这些法规对实验动物、实验室条件、工作人员素质、技术水平和操作方法都有明确要求。科研人员必须接受实验动物学的培训，持证上岗。
（2）精神、神经因素对实验研究的影响：当动物遭到虐待、创伤时疼痛、粗暴对待等意外刺激时，其内分泌系统、循环系统、免疫功能和机体代谢都与正常时不同。应养成善待小动物，减少对动物的不良刺激。
（3）给药途径   （4）保定和麻醉  （5）营养因素  （6）实验季节和时间的选择  （7）对照问题
（四）实验误差对实验结果的影响
动物实验误差由以下几方面引起：
（1)动物实验人员、实验动物工作人员进行实验研究和试验操作不熟练，缺少敬业精神，实验动物饲养和管理人员没有经过专门培训；
（2）动物实验设施和环境控制不符合标准；
（3）实验动物质量不合格或背景资料不准确，动物选择缺少科学依据；
（4）实验动物饲料不合格或营养成分、污染物质不清楚、不稳定；
（5）动物实验设计不科学，不符合统计学原理，统计处理不准确；
（6）实验观察不准确，没有定期进行校准，缺少必要的先进仪器；
（7）动物实验过程缺少质量控制。

七、实验动物管理法规
1、实验动物管理条例
2、实验动物质量管理办法
3、实验动物许可证管理办法

八、医疗器械动物实验相关法规

        医疗器械安全性和有效性评价研究应采用科学、合理的评价方法，其中动物试验是重要手段之一，其属于产品设计开发中的重要研究，可为产品设计定型提供相应的证据支持；若需开展临床试验，可为医疗器械能否用于人体研究提供支持，降低临床试验受试者及使用者的风险以及为临床试验设计提供参考。

本指导原则适用于决策医疗器械是否需在活体动物上进行在体试验。

     申请人宜充分利用已有的信息获取产品安全性、有效性和可行性的相关证据，如可利用已有的同类产品动物试验数据或通过与市售同类产品进行性能比对等方式验证产品的安全性、有效性和可行性。若相关证据充分，可免于动物试验。

      如需通过动物试验进行风险控制措施有效性的验证，则结合动物试验目的，一般从可行性、有效性、安全性三方面进行考虑。

1.可行性研究

     可行性研究是指产品设计开发阶段进行的，对产品工作原理、作用机理、设计、可操作性、功能性、安全性等方面进行确认/验证，或识别新的非预期风险的研究，如生物可吸收支架平台材料的筛选、经导管瓣膜置换装置的设计可行性、迭代设计更新的验证等。

     可行性研究是指在产品设计开发阶段进行的，对产品作用机理、工作原理、设计、可操作性、功能性、初步安全性等方面进行确 认，或识别新的非预期风险的研究。

      可行性研究可用于评估动物试验中不同研究指标的结果变异性，为安全性和有效性研究的试验设计要素如动物数量等提供设计依据。

       对于部分产品如创新性医疗器械，申请人可通过可行性研究识别产品设计方面引入的新增风险，开展相应的风险管理活动，对产品进行完善和改进。

       申请人可提供可行性动物试验研究证据，作为产品设计依据的支持性资料。可行性研究并不是必须开展的，对于某些具有较多研究背景信息支持的医疗器械，可直接开展安全性和有效性研究。

2.有效性研究

      尽管动物与人体之间，在部分医疗器械的有效性方面可能存在一定差异，但设计合理的动物试验可支持产品的有效性（包括性能和操作），如可吸收防粘连医疗器械的防粘连性能评价，组织修复材料引导组织重建的有效性评价，多孔涂层关节类产品或3D打印多孔结构产品的骨结合效果评价等。尽管动物与人体之间在有效性评价方面可能存在一定差异，但有些情况下，设计合理的动物试验可支持产品的有效性。如可吸收防粘连医疗器械的防粘连性能评价，组织修复材料引导组织再生和重塑的有效性评价，多孔涂层关节类产品或3D打印多孔结构产品的骨结合效果评价等。

       采用动物试验评估产品的有效性，必要时预先对动物和评价指标等与人体的相关性进行分析，如利用已有文献信息、数据库信息、前代产品的动物试验研究资料等。

       适用时，申请人宜提供有效性动物试验研究资料，作为评价产品有效性的支持性资料。

3.安全性研究

      申请人采取风险控制措施后，部分产品安全性可适当采用动物试验研究进行评价，如含药医疗器械中药物安全性范围研究，通过组织病理学等方式的毒理学评价、产品对生物体的损伤评价，动物源性材料的抗钙化性能，外科血管闭合设备的血管热损伤研究，防粘连器械与组织粘连相关并发症的评价等。

       试验目的有时是不能严格划分界限的，因此一项动物试验可能同时对产品的可行性、有效性、安全性进行评价。

       若产品采用新的作用机理、工作原理、设计、主要材料/配方、应用方法（如手术操作）、预期用途、增加新的适用范围、改进某方面性能等，申请人应针对产品创新点相关风险进行评估，并考虑通过动物试验对风险控制措施的有效性进行验证。

         医疗器械安全性研究一般是动物试验的主要研究目的，评价设计定型产品在实现功能时对机体安全性的影响，可包括短期（如评估操作安全性的即刻研究）、中/长期（如根据植入物降解周期）的安全性试验。

         适用时，申请人宜提供安全性动物试验研究资料，作为评价产品安全性的支持性资料。

          医疗器械动物试验是根据试验目的，选用符合试验要求的动物，在预先设计研究方案规定下，进行产品可行性和/或安全性和/或有效性研究，观察、记录动物的反应过程及结果，以确认医疗器械对生命活动的作用与影响。动物试验获得的可行性、安全性和有效性数据宜考虑重复性（Repeatability）及再现性（Reproducibility）。