(共28张PPT)
2.2 动物细胞工程
动物细胞培养
动物细胞核移植
动物细胞融合
生产单克隆抗体
动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础。
在治疗大面积烧伤时,通常采用的办法是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植。 但对这样的病人来说,自体健康皮肤非常有限,使用他人皮肤来源又不足,而且产生免疫排斥反应。
那么,怎样才能获得大量的自体健康皮肤?能不能用自体皮肤的单个细胞培养出可供移植的皮肤?
从社会中来
克隆皮肤
科学家通过动物细胞培养构建了人造皮肤
可以从病人身上取少量正常、健康的皮肤在体外进行培养、扩増。目前,科学家还在研究对皮肤干细胞进行培养,以获得适合临床上使用的人造皮肤。
指动物机体中取出相关的组织,将它分散成 ,然后,放在 ,让这些细胞 的技术。
动物细胞培养
细胞增殖(有丝分裂)
胚胎或幼龄动物的细胞
获得细胞或者细胞产物
①原理:
②培养对象:
③目的:
④作用:
人造皮肤的构建,动物分泌蛋白的生产等,是动物细胞工程的基础
因为这些组织或细胞的生命力旺盛,分化程度低,分裂能力强,容易培养
单个细胞
适宜的培养基中
生长和繁殖
营养容易供应,代谢废物容易排出
1、概念:
那么,获得这些细胞或细胞产物需要哪些条件,具体过程又是怎样的?
糖类、氨基酸、无机盐、维生素……
无菌、无毒的环境
适宜的温度、pH和渗透压
适宜的气体环境
一
一、动物细胞培养的条件
将细胞所需的营养物质(糖类、氨基酸、无机盐、维生素等)按种类和所需量严格配制的培养基。
1.营养
(1)培养基构成:
合成培养基
血清等一些天然成分
+
合成培养基:
动物血清等:
含有尚未研究清楚的细胞所需的营养物质
(2)培养基类型:
液体培养基
(培养液)
一、动物细胞培养的条件
培养皿
(1)对培养液和所有培养用具进行灭菌处理;
(2)在无菌环境下进行操作;
(3)定期更换培养液
清除代谢物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。
(可根据实际情况适量添加抗生素)
无菌
无毒
2.无菌、无毒的环境
3.温度、pH和渗透压
(1)适宜的温度:
哺乳动物细胞培养的温度多以___________为宜;
36.5±0.5℃
(2)适宜的pH:
多数动物细胞生存的适宜pH为________
7.2-7.4
(3)适宜的渗透压:
目的________________________。
维持细胞正常的形态和功能
4.气体环境
(1)气体组成及作用:
O2:
CO2:
细胞代谢所必需
维持培养液的pH
(2)具体操作:
通常采用培养皿或松盖培养瓶。
置于含有95%空气和5%CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养。
一、动物细胞培养的条件
培养瓶
CO2培养箱
与人体内环境的理化性质相似
为什么对动物细胞进行培养时通常要添加血清?
补充资料:
1、血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等,
2、氨基酸有多种,是细胞合成蛋白质的基本成分,其中有些氨基酸动物细胞本身不能合成(称为必需氨基酸),必须由培养液提供。
3、血清激素有胰岛素、生长激素等及多种生长因子;血清还含有多种未知的促细胞生长因子、促贴附因子及其他活性物质,能促进细胞的生长、增殖和贴附。
4、因此,细胞培养时,要保证细胞能够顺利生长和增殖,一般需添加10%~20%的血清。
血清中含有多种未知的促细胞生长因子等营养物质,这是细胞生长和增殖所必需的。
带着以下问题阅读教材:
1.为何动物细胞培养过程将组织分散成单个细胞呢?可用什么方法?
2.体外培养动物细胞有哪些类型?
3.什么是细胞贴壁?什么是接触抑制?
4.什么是原代培养和传代培养?
5.为什么要进行分瓶培养?怎么处理?
6.动物细胞培养与植物组织培养有什么相同之处与不同之处?
动物细胞培养
3.培养过程:
(1)选材:
;原因是:
。
细胞分化程度低,分裂能力强,容易培养
动物胚胎或幼龄动物的组织、器官
(2)培养前为什么分散成单个细胞?
①成块组织中细胞与细胞靠在一
起,彼此限制了生长与增殖;
②利于与培养液充分接触,保证
O2与营养供应和代谢物及时排出。
【问题探究1】进行动物细胞培养时常用胰蛋白酶分散细胞,这说明细胞间的物质主要是什么成分?用胃蛋白酶行吗?
用胰蛋白酶分散细胞,说明细胞间的物质主要是蛋白质。
胃蛋白酶的最适pH为1.5·,当pH大于6时,胃蛋白酶就会失去活性。多数动物细胞培养的适宜pH为7.2~7.4,胃蛋白酶在此环境中没有活性,所以用胃蛋白酶不行。
【问题探究2】胰蛋白酶会把细胞膜蛋白分解掉吗?
细胞膜的成分中含有蛋白质,而胰蛋白酶能够水解蛋白质,因此,胰蛋白酶会把细胞消化掉。因此,胰蛋白酶处理的时间不能太长。
体外培养的动物生长类型
①悬浮生长类:
能够悬浮在培养液中生长增殖。
会因细胞密度过大、有害代谢物积累和培养液中营养物质缺乏等因素而分裂受阻。
②贴壁生长类:
______ 体外培养的细胞需要___________________才能生长增殖,这类细胞往往贴附在培养瓶的____上,这种现象称为细胞贴壁。
除受密度、有害代谢物、营养物质影响外,还会发生接触抑制现象。
大多数
贴附于某些基质表面
瓶壁
动物细胞培养的过程
取动物组织
分散成单个细胞
解决
悬浮生长
贴壁生长
(大多数)
细胞密度过大、有害代谢物积累、营养物质缺乏等
接触抑制
传代培养
用机械法或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理
细胞悬液
原代培养
分瓶
培养
①原代培养:指动物组织经处理后的初次培养。
②细胞贴壁:某些细胞需要贴附于某些基质表面才能增殖,这类细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上。
③接触抑制:当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞停止分裂增殖的现象。
④传代培养:分瓶后的细胞培养。
加培养液
在培养皿或培养瓶内
悬浮培养的细胞:直接用离心法收集
贴壁细胞:用胰蛋白酶处理分散成单个细胞,用离心法收集
细胞分裂受阻
②制成细胞悬液,分瓶培养
①收集细胞
二
思考:“细胞增殖到互相接触的时候,糖蛋白识别了这种信息,就会使细胞停止继续繁殖,出现接触抑制的现象”试结合上述解释,举例说明哪种细胞无接触抑制现象,并阐述原因。
癌细胞;癌细胞的细胞膜上糖蛋白等物质减少
肿瘤细胞失去接触抑制,条件适宜在培养液可以无限增殖下去。
动物细胞培养的过程
二
3)细胞悬液
放入培养瓶
在适宜条件
在适宜条件
分瓶培养
4)原代培养
5)传代培养
思考.为什么要进行分瓶培养?
悬浮生长
贴壁生长
细胞密度过大
有害代谢物积累
营养物质缺乏
接触抑制
分瓶培养
(传代培养)
解决
原因
原代培养
问题
细胞分裂受阻
思考:进行传代培养(分瓶培养)时,如何处理?
离心法收集
胰蛋白酶处理
制成细胞悬液
分瓶培养
悬浮细胞
贴壁细胞
注意:传一代是指分瓶培养一次,不是细胞增殖一次。
区分两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象。
①第一次:用胰蛋白酶对剪碎的动物组织进行处理,使其分散成单个细胞后进行培养,为原代培养。
②第二次:细胞培养过程中出现接触抑制,用胰蛋白酶使其从瓶壁上脱离下来,然后,将其分散到多个培养瓶中继续培养,为传代培养。
比较项目 植物组织培养 动物细胞培养
原理
培养基性质
培养基特有成分
培养过程
培养结果
培养目的
相同点 获得细胞或细胞产物
固体培养基
完整植株
葡萄糖、动物血清
液体培养基
细胞增殖
植物细胞的全能性
许多细胞
快速繁殖、培育无病毒植株等
蔗糖、植物激素
1.培养过程中细胞都进行有丝分裂,不涉及减数分裂;
原代培养、传代培养
脱分化、再分化
植物组织培养和动物细胞培养的比较
2.均需无菌操作、无菌培养,需要适宜的温度、pH等条件
细胞株
从原代培养细胞群中筛选出进行传代培养的细胞,能传到40-50代,其遗传物质没有发生变化。
细胞系
传到40-50代后有部分细胞遗传物质发生了变化,具有癌细胞的特点,失去接触抑制,可能在培养条件下无限制的传代下去。
细胞系的遗传物质改变,具有癌细胞的特点,失去接触抑制,容易传代培养。
区别:
分瓶培养
10代细胞
50代细胞
无限增殖
保持细胞正常二倍体核型
部分细胞核型改变
遗传物质改变突破细胞寿限
危机1
危机2
(三) 动物细胞培养培养危机:
原代培养
传代培养
(遗传物质没改变)
(遗传物质有的改变)
1.干细胞的概念:
动物和人体内仍保留的少数具有分裂和分化能力的细胞。在一定条件下,干细胞可以分化成其他类型的细胞。
2.干细胞的分布:
干细胞存在于_________、_____和_______等多种组织和器官中;
早期胚胎
骨髓
脐带血
3.干细胞的分类:
包括胚胎干细胞和成体干细胞等。
(1)胚胎干细胞(简称ES细胞)
①分布:
存在于________中
早期胚胎
②特点:
具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞,并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能
③应用实例:
ES细胞在体外分化成心肌细胞、神经元细胞和造血干细胞等
三、干细胞培养及其应用
骨髓中的___________、神经系统中的__________、睾丸中的___________等;
(2)成体干细胞
①分布:
存在于________________中
成体组织或器官内
②举例:
造血干细胞
神经干细胞
精原干细胞
③特点:
一般认为,成体干细胞具有组织特异性,只能分化成特定的细胞或组织,不具有发育成完整个体的能力。
④发现最早、研究最多的、应用最成熟的实例:_____________
主要存在于成体的_____、_______和______中
造血干细胞
骨髓
外周血
脐带血
根据全能性大小可分为:全能干细胞、多能干细胞、专能干细胞。
全能干细胞:胚胎干细胞
多能干细胞:造血干细胞
专(单)能干细胞:
上皮基底层干细胞 成肌干细胞 神经元干细胞
上皮细胞
神经细胞
肌细胞
治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病(如帕金森病、阿尔茨海默病等)
治疗白血病及一些恶性肿瘤放疗或化疗后引起的造血系统、免疫系统功能障碍等疾病
有着自我更新能力及分化潜能的干细胞,与组织、器官的发育、再生和修复等密切相关。
4.干细胞的应用
(1)应用原理:
(2)应用实例:
造血干细胞:
神经干细胞:
干细胞将在再生医学、药物安全性与有效性检测等领域发挥大作用。
(3)面临的问题:
存在导致肿瘤发生的风险
(4)应用展望:
5.诱导多能干细胞(iPS细胞)
(1)胚胎干细胞的局限性:
胚胎干细胞必须从_____中获取 ,涉及________;因而限制了在医学上的应用。
胚胎
伦理问题
(2)诱导多能干细胞概念:
通过体外诱导小鼠成纤维细胞,获得了类似胚胎干细胞的一种细胞,称为诱导多能干细胞,简称iPS细胞。
诱导方法:
①将特定基因或特定蛋白导入细胞(成纤维细胞以及已分化的T细胞、B细胞均可);
②用小分子化合物诱导形成。
(3)诱导多能干细胞优点:
①诱导过程无须破坏胚胎;
②iPS细胞可以来源于病人自身的体细胞,将它移植回病人体内后,理论上可以避免免疫排斥反应。
移植
取成纤维细胞等
iPS细胞
转入相关因子
细胞发生转化
分化
胰岛细胞
神经元
血细胞
肠上皮细胞
心肌细胞
肝细胞
病人
iPS细胞用于治疗人类疾病示意图
(4)诱导多能干细胞的应用:
可治疗镰状细胞贫血症,在治疗阿尔兹海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展
1.判断下列有关动物细胞培养的表述是否正确。
(1)培养环境中需要O2,不需要CO2 。( )
(2)细胞要经过脱分化形成愈伤组织。( )
(3)培养液中通常含有糖类、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清( )
(4)培养瓶中的细胞需定期用胰蛋白酶处理,分瓶后才能继续增殖( )
一.概念检测
×
√
×
×
练习与应用(P47)
2.干细胞有着广泛的应用前景。下列相关叙述错误的是( )
A.干细胞是从胚胎中分离提取的细胞
B.造血干细胞可以分化为各种血细胞
C.不同类型的干细胞,它们的分化潜能是有差别的
D.由iPS细胞产生的特定细胞,可以在新药的测试中发挥重要作用
A
现在关于iPS细胞的研究正在不断深入。请你从以下两个方面来查阅资料进行思考。(1)由于诱导iPS细胞、促使其分化都需要时间,因此用某人特异的iPS细胞进行医疗只限于时间比较充裕的情形。从实际事故、疾病发生的不可预测性方面考虑,如果要将这些细胞用于紧急情况,应该提前采取什么措施
像建立骨髓库一样,有研究团队正在尝试建立HLA(Human Leukocyte Antigen,人类白细胞抗原)多态性丰富的iPS细胞库,可以为需要的人找到HIA匹配度较高的iPS细胞,这样不仅可以节省时间、成本,还能减轻异体干细胞移植后发生的免疫排斥反应。
二.拓展应用
练习与应用(P47)
(2)如果诱导iPS细胞定向分化为生殖细胞的技术发展成熟,该技术可能会有哪些应用?又可能带来哪些问题?
该技术可能被用于治疗不孕症;获得足够量的生殖细胞来进行濒危物种的克隆研究;获得生殖细胞进行转基因操作,再经过受精、胚胎发育等过程来获得转基因动物。该技术可能带来一系列的伦理问题。例如,如果用同一个人的iPS细胞分别诱导形成精子和卵子,两者受精可能培育出“单亲”婴儿;有的人还可能有目的地选择iPS细胞,从而“设计”婴儿。