2.2 第1课时 动物细胞培养 学案 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修3

动物细胞工程
第1课时　动物细胞培养
【学习目标】
1.运用稳态与平衡观,分析动物细胞培养的条件。(生命观念)
2.采用归纳与概括、演绎与推理等方法,用文字和图示说明动物细胞培养的过程。(科学思维)
3.对干细胞培养用于人类疾病治疗等社会热点问题进行科学评价。(社会责任)
【自主预习】
一、动物细胞培养
1.概念:从动物体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后在适宜的培养条件下,让这些细胞　生长和增殖　的技术。
2.动物细胞培养的基本条件
(1)营养条件:糖类、氨基酸、无机盐、维生素等,通常需要加入　血清　等一些天然成分。培养动物细胞一般使用液体培养基,也称为培养液。
(2)无菌、无毒的环境
a.对培养液和所有培养用具进行　灭菌　处理以及在无菌环境下操作。
b.定期更换培养液,以便清除代谢废物,防止　细胞代谢物积累　对细胞自身造成危害。
(3)温度、pH和渗透压:温度为(36.5±0.5) ℃;pH为　7.2~7.4　。
(4)气体环境:95%　空气　+5% CO2的混合气体。O2是细胞代谢所必需的,CO2的主要作用是　维持培养液的pH　。
3.动物细胞培养的过程
(1)体外培养的动物细胞的类型
一类细胞能够　悬浮　在培养液中生长增殖;另一类则需要　贴附　于某些基质表面才能生长增殖,而且还会发生　接触抑制　现象,从而使细胞停止分裂增殖。
①细胞贴壁:体外培养的大多数动物细胞往往　贴附　在培养瓶的瓶壁上,这种现象称为细胞贴壁。
②接触抑制:当贴壁细胞分裂生长到表面　相互接触　时,细胞通常会停止　分裂增殖　,这种现象称为接触抑制。
(2)原代培养:　分瓶　之前的细胞培养,即动物组织经处理后的　初次培养　。
(3)传代培养:　分瓶　后的细胞培养。
二、干细胞培养及其应用
1.干细胞
(1)特点:在一定条件下,可以　分化　成其他类型的细胞。
(2)来源:早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。
(3)干细胞的种类及主要功能
来源 功能或特点 应用
胚胎干细胞(ES细胞) 　早期胚胎　 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　 可诱导分化成所有种类的组织和器官,理论上可治疗所有需要器官和细胞移植的疾病,但由于涉及伦理问题,限制了其在医学上的应用
成体干细胞 　成体组织或器官　 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 用造血干细胞治疗白血病;用神经干细胞治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病
诱导多能干细 胞(iPS细胞) 　成纤维细胞转化　 能分化成为具有特定功能的细胞,用于治疗疾病 治疗小鼠的镰状细胞贫血等
(4)干细胞的应用
a.用于治疗与组织、器官的发育、再生和修复等相关疾病。
b.培育出人造组织器官,用于　器官移植　。
2.诱导多能干细胞(iPS细胞)
(1)概念:通过体外诱导成纤维细胞获得的类似　胚胎干细胞　的一类细胞。
(2)应用前景:诱导过程无须破坏胚胎,不涉及伦理问题;iPS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。因此iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞。
【合作探究】
任务1　了解动物细胞培养技术
活动1　阅读课本和资料,探究动物细胞培养的条件
　　下图是动物细胞培养的基本过程示意图。请根据图回答:
1.动物细胞培养时,图中A为什么要将动物组织分散成单个细胞
提示　①保证细胞所需要的营养供应;②保证细胞内有害代谢物的及时排出。
2.动物细胞培养需要控制什么样的气体环境 各自起什么作用
提示　含有95%空气和5% CO2的混合气体环境。空气中的O2用于维持细胞代谢,CO2的主要作用是维持培养液的pH。
3.B瓶中培养基的成分有哪些
提示　糖类、氨基酸、无机盐、维生素和血清等。
4.动物细胞培养时,为什么要在培养基中加入血清等天然成分
提示　因为血清等天然成分中含有多种维持细胞正常代谢和生长的物质,如蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等。
5.动物细胞培养和植物组织培养一样可以获得完整个体吗
提示　动物细胞培养时细胞只进行生长和增殖,不能得到完整个体,但是植物组织培养可以获得完整个体。
例1　(2022·衡阳联考)下列关于动物细胞培养的叙述,不正确的是(　　)。
A.使用合成培养基时,通常需要加入血清等一些天然成分
B.通常置于含有95%O2和5% CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养
C.渗透压也是动物细胞培养过程中需要考虑的一个重要环境参数
D.需要对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作
【答案】　B
【解析】　使用合成培养基时,通常需要加入血清等一些天然成分,以利于动物细胞生长,A正确;在进行动物细胞培养时,通常将动物细胞置于含有95%空气和5% CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养,B不正确;渗透压可维持细胞形态,故渗透压也是动物细胞培养过程中需要考虑的一个重要环境参数,C正确;需要对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作,防止污染,D正确。
易错分析
1.将细胞所需的营养物质按种类和所需量严格配制而成的培养基,称为合成培养基。培养动物细胞一般使用液体培养基,也称为培养液。
2.由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚,因此在使用合成培养基时,通常需要加入血清等一些天然成分。
对点练1　(2022·泸州质检)下列关于动物细胞培养条件的叙述,错误的是(　　)。
A.体外培养动物细胞时,培养环境必须保证无菌、无毒
B.在使用合成培养基时,通常还需要加入血清等天然成分
C.细胞培养液需要定时更换,以便清除其中的代谢废物
D.可使用培养皿或松盖培养瓶在25 ℃和纯氧条件下培养
【答案】　D
【解析】　在体外培养动物细胞时,必须保证培养环境是无菌、无毒的,A正确;动物细胞体外培养过程中,在使用合成培养基时通常需要加入血清等一些天然成分,补充培养基中缺乏的物质,B正确;细胞培养液应定期更换,以便清除代谢废物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害,C正确;进行细胞培养时,通常使用培养皿或松盖培养瓶,将其置于含95%空气和5% CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养,D错误。
活动2　阅读课本,探究动物细胞培养的过程
下图表示动物细胞培养的过程,请据图思考下列问题:
1.上图显示,动物细胞培养的第一步,需要用机械的方法或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理动物组织,这样做的目的是什么 为什么要这样做 为什么要用胰蛋白酶、胶原蛋白酶处理
提示　目的是将动物组织细胞分散成单个细胞。这样做是因为分散成单个细胞后容易培养,细胞所需的营养容易供应,其代谢废物容易排出。动物细胞之间的物质主要是蛋白质,因此需要用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理清除细胞之间的蛋白质,使之分散成单个细胞。
2.幼龄动物的细胞与老龄动物的细胞比较,分化程度低的细胞与分化程度高的细胞比较,哪些细胞更易于培养 为什么
提示　幼龄动物的细胞比老龄动物的细胞更易于培养,分化程度低的细胞比分化程度高的细胞更易于培养。因为这些细胞增殖能力强,有丝分裂旺盛。
3.细胞培养一段时间后,分裂会受阻,原因是什么 怎么解决这一问题
提示　细胞培养一段时间后,分裂受阻的原因可能有以下几种:
①少数动物细胞在培养时能够悬浮在培养液中生长增殖,随着培养的进行,悬浮培养的细胞会因密度过大而分裂受阻。
②大多数动物细胞往往需要贴附在某些基质的表面才能生长增殖(细胞贴壁);当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞通常会停止分裂增殖。
③培养基的问题:如培养液中营养物质缺乏,有害代谢物的积累,pH、渗透压异常等。
解决办法:进行传代培养。
4.根据癌细胞的特点进行分析,培养的癌细胞是否存在接触抑制现象 为什么
提示　不存在。因为癌细胞细胞膜上糖蛋白含量较少,细胞间的黏着性降低,在适宜的条件下可以无限增殖。
认知生成
1.细胞膜的主要成分之一是　蛋白质(胶原蛋白等)　,为避免胰蛋白酶把细胞消化掉,用胰蛋白酶处理动物细胞、组织时需要　控制好时间　。
2.不能用胃蛋白酶代替胰蛋白酶的原因:正常组织细胞的生存环境与胰蛋白酶作用的最适pH　较接近　,而胃蛋白酶作用的适宜pH为1.5,当pH大于6时胃蛋白酶就会失去活性。
3.分清有关动物细胞培养知识点的3个“2”
(1)培养过程为“2”:原代培养、传代培养。
(2)胰蛋白酶等使用“2”次:原代培养和传代培养中均需使用,目的是　使细胞分散开　。
(3)细胞生长特点有“2”个:　贴壁生长　和　接触抑制　。
例2　(2022·无锡期中)下图表示动物细胞培养的过程,下列有关该过程的说法,正确的是(　　)。
A.乙中进行动物细胞培养时通入无菌空气即可
B.宜用胰蛋白酶将甲中的动物组织分散为单个细胞
C.甲中用于培养的动物细胞宜取自成年动物
D.丙中细胞大量增殖后,细胞之间相互接触能促进细胞的分裂
【答案】　B
【解析】　乙中进行动物细胞培养时应通入含95%空气和5%CO2的混合气体,A错误;将甲中的动物组织分散为单个细胞可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理,B正确;甲中用于培养的动物细胞宜取自动物胚胎或幼龄动物的器官或组织,该类型的器官或组织分裂能力强,C错误;丙中细胞大量增殖后,细胞之间相互接触会抑制细胞的分裂,D错误。
对点练2　(2023·临沂检测)某研究小组为测定药物对体外培养细胞毒性的大小,准备对某种动物的肝肿瘤细胞(甲)和正常肝细胞(乙)进行动物细胞培养实验。下列说法正确的是(　　)。
A.制备肝细胞悬液时,可用胃蛋白酶代替胰蛋白酶处理肝组织
B.CO2培养箱中CO2浓度维持在5%左右,主要作用是促进细胞呼吸
C.本实验应设置对照实验,以检测药物对甲、乙的毒性大小
D.为防止细胞培养过程中细菌污染,可适量添加干扰素
【答案】　C
【解析】　在利用肝组织块制备肝细胞悬液时,常用胰蛋白酶,不能使用胃蛋白酶,因为胃蛋白酶需要在强酸环境下才能起作用,但这样的环境不适于细胞生存,A错误;细胞培养应在含CO2的恒温培养箱中进行,CO2浓度维持在5%左右,主要作用是维持培养液的pH,B错误;本实验应设置对照实验,用添加药物、未添加药物的培养液分别培养两种细胞,根据变异细胞占培养细胞的比例来检测药物对甲、乙的毒性大小,C正确;为防止细胞培养过程中细菌污染,可适量添加抗生素,D错误。
活动3　阅读课本并查阅资料,探究干细胞培养及其应用
　　干细胞的成功培养是动物细胞培养领域重大的成就之一。干细胞包括胚胎干细胞和成体干细胞等。目前胚胎干细胞是胚胎工程的前沿课题之一,也是当今生命科学研究的热门课题之一。结合图示思考下列问题:
1.胚胎干细胞的来源是怎样的
提示　哺乳动物的胚胎干细胞简称ES细胞,存在于早期胚胎中。
2.胚胎干细胞的应用有什么局限性
提示　胚胎干细胞必须从胚胎中获取,这涉及伦理问题,因而限制了它在医学上的应用。
3.什么是诱导多能干细胞 诱导多能干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是什么 它在医学应用上有什么优势
提示　(1)诱导多能干细胞(简称iPS细胞)是通过体外诱导小鼠成纤维细胞获得的类似胚胎干细胞的一种细胞。(2)诱导多能干细胞具有发育的全能性,可以被诱导分化形成新的组织细胞,经移植后可使坏死或退化部位得以修复并恢复正常功能。(3)因为诱导过程无须破坏胚胎,而且iPS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。
例3　(2022·聊城期中)干细胞是一类未参与分化或未完全分化的细胞,分裂能力强。按照其来源分为胚胎干细胞和成体干细胞(如造血干细胞、神经干细胞)等。下列关于干细胞的说法,错误的是(　　)。
A.干细胞存在于早期胚胎、脊髓和脐带血等多种组织和器官中
B.胚胎干细胞的分化程度小于造血干细胞
C.骨髓移植治疗白血病就是利用了造血干细胞能分化成各种血细胞的能力
D.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
【答案】　A
【解析】　干细胞存在于早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中,包括胚胎干细胞和成体干细胞等,A错误;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,D正确。
易错辨析
1.发生分化的细胞表达的基因不完全相同,转录形成的RNA和翻译形成的蛋白质的种类与含量也不完全相同。
2.发生分化的细胞在形态结构和生理功能上都发生了改变,但遗传物质一般不发生改变。
对点练3　(2022·济南月考)小鼠的成纤维细胞经诱导可成为iPS细胞,为新型再生疗法带来了希望。下列叙述正确的是(　　)。
A.经诱导形成的iPS细胞增殖能力增强,分化能力减弱
B.分化后的细胞蛋白质种类和数量不变
C.iPS细胞属于成体干细胞
D.与ES细胞相比,iPS细胞用于再生医学可避免伦理争议
【答案】　D
【解析】　经诱导形成的iPS细胞增殖能力和分化能力均增强,A错误;由于基因的选择性表达,分化后的细胞蛋白质种类和数量可能会发生改变,B错误;iPS细胞为诱导多能干细胞,不属于成体干细胞,C错误;ES细胞来源于早期胚胎,iPS细胞来源于体细胞,因此与ES细胞相比,iPS细胞用于再生医学可避免伦理争议,D正确。
素能提升　通过对动物细胞培养实例的分析,培养生命观念、科学思维和社会责任等核心素养,提高对现代科学技术的认知能力
1.(2023·南京期末)科学家将4个关键基因移植入已分化的体细胞中并使其表达,使这个细胞成为具有类似干细胞功能的诱导多能干细胞(iPS细胞)。下图为iPS细胞用于治疗糖尿病的示意图,下列相关叙述错误的是(　　)。
A.干细胞存在于多种组织和器官中,包括胚胎干细胞和成体干细胞等
B.诱导iPS细胞分化的实质是动物细胞核具有发育的全能性
C.除图中的成纤维细胞,已分化的T细胞和B细胞等也能被诱导为iPS细胞
D.将分化得到的胰岛细胞移植回病人体内治疗,理论上可避免免疫排斥反应
【答案】　B
【解析】　动物和人体内少数具有分裂和分化能力的细胞称为干细胞,存在于多种组织和器官中,包括胚胎干细胞和成体干细胞等,A正确;诱导iPS细胞分化的实质是基因的选择性表达,B错误;iPS细胞最初是由成纤维细胞转化而来的,后来发现已分化的T细胞和B细胞等也能被诱导为iPS细胞,C正确;由于移植的细胞是由病人自身体细胞诱导得到的,理论上可以避免免疫排斥反应,D正确。
2.美国科学家已经在实验室中成功培育出膀胱,并顺利移植到7名患者体内。这种技术为那些急需器官移植的患者带来福音。根据这则材料,分析并回答下列问题:
(1)科学家从患者的膀胱上取下一小块活细胞样本,将其中的肌肉细胞和膀胱上皮细胞分别置于不同的培养瓶中培养。在培养之前,需用　　　　　　　　　　　　　　等处理以分散细胞。
(2)与植物组织培养的培养基相比,动物细胞培养的培养基的主要不同点是　 。
(3)约一周后将培养瓶中培养的细胞放在由胶原质制成的“支架”上继续培养,再过7周左右,原先的数万个细胞已经繁殖到15亿个左右,布满“支架”,膀胱上皮细胞在内,肌肉细胞在外,形成“新膀胱”。细胞数目大量增加,其增殖方式是　　　　　　　　,由这些细胞再形成肌肉细胞和膀胱上皮细胞的过程中要经过　　。
(4)医生将“新膀胱”移植到患者膀胱的上面,新器官会继续生长并与老器官重组,取代老器官中丧失功能的部分。新器官与老器官的重组是不是基因重组 “新膀胱”移植后,会不会引起免疫排斥反应 为什么 。
【答案】　(1)胰蛋白酶、胶原蛋白酶　(2)动物细胞培养的培养基中含有血清　(3)有丝分裂　细胞分化　(4)不是。不会。因为新器官是由患者自身的细胞发育而来的,因此新膀胱移植后,不会成为抗原,不会引起免疫排斥反应
【解析】　(1)动物细胞培养之前要用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间,使组织分散成单个细胞。(2)动物细胞培养的培养基与植物组织培养的培养基的主要不同点是动物细胞培养的培养基中含有血清。(3)动物细胞培养过程中细胞的分裂方式是有丝分裂,这些细胞在形成肌肉细胞和膀胱上皮细胞的过程中要经过细胞分化。(4)新器官与老器官的重组不是基因重组。“新膀胱”是由患者自身细胞发育而来的,因此“新膀胱”移植后,不会引起免疫排斥反应。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
1.多数动物细胞培养过程中其培养液所需的适宜pH为6.8~7.0。 (×) 2.动物细胞培养要定期更换培养液,其目的是便于清除代谢物,防止代谢物积累对细胞自身造成危害。 (√) 3.动物细胞培养技术的原理是动物细胞的全能性。(×) 4.动物细胞培养时剪碎动物组织的操作不需要在无菌环境中进行。 (×) 5.制备肝细胞悬液时需要用胃蛋白酶处理一段时间。(×) 6.培养动物细胞时的第一代(即第一次细胞增殖)培养被称为原代培养。 (×) 7.培养保留接触抑制的细胞,在培养瓶壁上可形成多层细胞。 (×) 8.胚胎干细胞和成体干细胞都具有形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能。 (×)
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