Animal experimentation has been one of the most controversial areas of animal use, mainly due to the intentional harms inflicted upon animals. When applying the principles of the 3Rs (Replacement, Reduction and Refinement), first described by Russell and Burch in The Principles of Humane Experimental Technique six decades ago, animal use in science should decline through reducing numbers of animals used and by replacing them with non-animal methods. In addition, the use of the third R, Refinement, should lead to an improvement of the conditions that cause fear, distress, pain and suffering to animals who are still being used. It is estimated that more than 127 million vertebrates are being used in science annually. Thus, until animal subjects can be fully replaced with non-animal methods, research into the third R, Refinement, and its application in practice remains imperative. To ensure scientific rigor, avoid needless animal suffering and enable an accurate harm-benefit analysis, researchers using animals must be knowledgeable about Refinement methods and apply them effectively. Indeed, researchers are legally accountable and required to minimize pain and suffering caused to the animals by their research projects. The aims of this thesis were to evaluate if and how findings from Refinement research have been implemented in practice, to determine areas where further improvement is needed and to make recommendations for the implementation of current best-practice Refinement methods. To highlight the significance of the Replacement of animals in science for scientific and for ethical reasons, a brief overview of the use of all the 3Rs in practice has also been provided and issues of poor rigor, reproducibility and translatability of animal experimentations are discussed. The study focused on experimental Refinement methods designed to minimize animal suffering. Research in this area has increased significantly over the past two decades. However, the extent to which Refinement methods are applied in practice is uncertain. Due to poor reporting standards in animal research publications, especially of Refinement, this study used original animal research proposals to retrospectively review planned Refinement. For the scope of the study, all applications submitted to the participating German competent authorities in 2010, that included recovery surgical procedures in mice and rats and that obtained a project license, were selected. The first paper of this publication-based thesis summarizes the findings of the assessment on the efficacy of proposed anesthesia and peri- and postoperative analgesia in animal research applications. Postoperative analgesia was not proposed for 30% of surgeries. Following 10% of procedures, animals were to be given pain analgesics if the investigators decided this was necessary; however, information on planned pain assessments were generally absent. Consequences of unalleviated pain and omission of pain assessment techniques are discussed, and recommendations to improve anesthesia and analgesia are made. In the second paper, we categorized the severity of proposed surgical interventions by using the relevant guidance documents and compared our rating with the rating included in the proposals. Furthermore, we assessed the appropriateness of planned monitoring of the potential adverse effects on the animals (“health monitoring”). Analysis showed that severity and chronicity of pain, suffering and distress that were to be inflicted upon the animals were frequently underestimated by the researchers. Planned health monitoring generally appeared insufficient to ensure the welfare of animals in the studies. In the third paper, the appropriateness of proposed humane endpoints and killing methods was discussed. Following 55% of surgical procedures, the investigators proposed humane endpoints. These were mostly not clearly defined, and/or were considered to be at a late stage in the animal’s deterioration. In addition, the choice of killing methods could be improved in many applications, thereby reducing suffering. The findings of this series of studies highlight the need for improvement in the implementation of Refinement in scientific use of animals, to fulfill legal requirements, to improve animal welfare and to improve the quality of research data. This study was the first to review Refinement methods in research proposals. It would be important to repeat it to assess if the situation has changed since 2010, as well as to expand it to other countries. The final paper provides an overview of the various areas of Refinement, namely housing, husbandry, care, experimental refinements and also improvements in planning, conduct and reporting of animal studies, and their application in practice. Efforts to implement the other two Rs, Reduction and Replacement, are also briefly discussed. This paper highlights extensive shortcomings in all areas of Refinement. In addition, it supports the view that, even though we have the political goal to phase out animal experimentation, in reality, we are not close to widespread Replacement of animal models with non-animal models as not enough is done to work towards such a paradigm change.
Tierversuche gehörten schon immer zu den am meisten umstrittenen Bereichen der Tiernutzung, vor allem, weil den Tieren absichtlich Schmerzen und Leiden zugefügt werden. Das 3R-Prinzip (Replacement, Reduction und Refinement), das im Deutschen auch das 3V-Prinzip (Vermeidung, Verminderung und Verfeinerung) genannt wird, wurde erstmal vor sechs Jahrzenten von Russell und Burch in ihrem Buch The Principles of Humane Experimental Technique beschrieben. Es sollte Tierversuche ersetzen und so den Einsatz von Tieren in der Wissenschaft reduzieren und die Bedingungen verbessern, die Schmerzen, Leiden, Dysstress und Angst bei den Tieren verursachen, die nach wie vor zu Versuchszwecken genutzt werden. Es wird geschätzt, dass mehr als 127 Millionen Wirbeltiere jährlich für Forschungszwecke verwendet werden. Bis Tiere vollständig durch tierfreie Methoden ersetzt werden können, werden die Forschung im Bereich Refinement und ihre Anwendung in der tierexperimentellen Praxis unerlässlich bleiben. Um die wissenschaftliche Qualität zu sichern, unnötiges Tierleid zu vermeiden und eine akkurate Schaden-Nutzen-Abwägung zu ermöglichen, müssen Tierexperimentatoren ein fundiertes Wissen über Refinement-Methoden haben, und sie müssen diese Methoden der Leidensminimierung erfolgreich anwenden können. In der Tat sind Wissenschaftler rechenschaftspflichtig und gesetzlich verpflichtet, die den Tieren durch ihre Forschungsprojekte zugefügten Schmerzen und Leiden auf ein unerlässliches Maß reduzieren. Die Ziele dieser Arbeit waren zu evaluieren, ob und wie die Erkenntnisse aus der Refinement-Forschung in der Praxis implementiert worden sind, zu untersuchen, wo Verbesserungen notwendig sind und Empfehlungen für die weitere Optimierung der Anwendung von Refinement-Forschungsergebnissen in der Praxis zu geben. Um zu verdeutlichen, dass das endgültige Ziel der Ersatz von Tieren in der Wissenschaft sein sollte – aus ethischen wie aus wissenschaftlichen Gründen – wird eine Übersicht über die Anwendung aller drei R in der Praxis vorgestellt, und es werden Mängel bezüglich der Qualität, Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit von Tierversuchen diskutiert. Die Arbeit konzentrierte sich auf experimentelle Refinement-Methoden, die entwickelt wurden, um versuchsbedingtes Tierleid zu minimieren. Die Forschung in diesem Bereich hat in den letzten zwei Jahrzehnten stark zugenommen. Aber es ist unklar, in welchem Umfang Refinement-Methoden in der täglichen Tierversuchspraxis Anwendung finden. Aufgrund mangelhafter Standards bei der Berichterstattung von tierexperimentellen Studien, insbesondere bezüglich ihrer Verwendung von Refinement-Maßnahmen, wurden für diese Studie Tierversuchsanträge herangezogen, anhand welcher die geplanten Refinement-Maßnahmen untersucht wurden. Es wurden alle Tierversuchsanträge mit operativen Eingriffen an Mäusen und Ratten, die im Jahr 2010 an die an der Studie teilnehmenden zuständigen Behörden für Tierversuche gesendet wurden und die schlussendlich eine Genehmigung erhielten, ausgewählt. Der erste Artikel dieser publikationsbasierten Arbeit fasst die Ergebnisse der Untersuchung zur Effektivität der geplanten Anästhesie- und peri-und postoperativen Analgesieregime zusammen. Nach 30% der operativen Eingriffe war keine postoperative Analgesie geplant. Bei 10% der Operationen gaben die Tierexperimentatoren an, eine postoperative Schmerzbehandlung zu machen, falls sie dies für notwendig hielten. Jedoch fehlten in den Anträgen Hinweise auf eine geplante Beobachtung und Bewertung von Schmerzen und Leiden der Versuchstiere. Die Konsequenzen von fehlendem bzw. mangelhaftem Schmerzmanagement werden diskutiert, und es werden Empfehlungen zur Verbesserung der Anästhesie- und Analgesieprotokolle gemacht. In der zweiten Publikation haben wir die geplanten operativen Eingriffe in Schweregrade eingeteilt und unsere Bewertung mit der der Antragsteller verglichen. Außerdem überprüften wir, wie geeignet die vorgesehene Überwachung des Gesundheitszustandes der Tiere ist. Unsere Analyse ergab, dass Schweregrad und Chronizität von Schmerzen, Leiden und Dysstress, denen die Tiere ausgesetzt werden würden, von den Forschern regelmäßig unterschätzt wurden. Außerdem erschien die geplante Überwachung des Gesundheitszustandes der Tiere unzureichend, um das Wohlergehen der Tiere in diesen Versuchen sicherzustellen. Der dritte Artikel diskutiert die Angemessenheit der von den Antragstellern vorgeschlagenen humanen Endpunkte (Abbruchkriterien) und Tötungsmethoden. Wenn die Forscher Abbruchkriterien im Antrag genannt hatten, was nach 55% der chirurgischen Eingriffe der Fall war, waren diese meist nicht eindeutig definiert und/oder wurden im Hinblick auf den bereits stark verschlechterten Krankheitszustand der Tiere als zu spät erachtet. Darüber hinaus könnte die Wahl der Tötungsmethode in vielen Anträgen verbessert werden, was zur Leidensminimierung beitragen würde. Die Ergebnisse dieser Studienreihe machen die Notwendigkeit für Verbesserungen bei der Anwendung von Refinement-Methoden in der alltäglichen tierexperimentellen Praxis deutlich – um gesetzliche Vorgaben zu erfüllen, um den Tierschutz zu verbessern und um die Qualität der generierten Daten zu optimieren. Diese Studie war die erste, die Refinement-Methoden in Tierversuchsanträgen analysiert hat. Es wäre wichtig, diese Studie zu wiederholen, um zu eruieren, ob sich die Situation seit 2010 verändert hat; außerdem wäre es wichtig, derartige Untersuchungen auf andere Länder auszuweiten. Der letzte Artikel gibt einen Überblick über derzeitige wissenschaftliche Erkenntnisse in den verschiedenen Bereichen des Refinements, und zwar über die optimierte Unterbringung und Pflege, über experimentelles Refinement und über Verbesserungen in der Planung, Durchführung und Berichterstattung von Tierversuchen. Es wird außerdem dargelegt, wie diese Erkenntnisse derzeit in der Praxis umgesetzt werden. Bemühungen, die anderen 2R, Reduzierung und Ersatz von Tierversuchen, voranzutreiben werden auch kurz diskutiert. Es werden umfangreiche Mängel in allen Bereichen des Refinements von Tierversuchen und ihrer Anwendung in der Praxis aufgezeigt. Außerdem wird deutlich, dass wir trotz des politischen Ziels Tierversuche einzuschränken, in Wahrheit weit entfernt sind von einem weitgehenden Ersatz von Tiermodellen durch tierfreie Modelle und Methoden, da nicht genug getan wird, um einen Paradigmenwechsel voranzutreiben.
