2.2.1 动物细胞培养 课件 2023—2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第2章细胞工程 第2节动物细胞工程 一动物细胞培养 2023/2/3 1958年，格登 用非洲爪蟾进 行体细胞核移 1959年，试 植实验，成功 管家兔诞生， 培育出性成熟 →之后，多种 个体，同一时 试管动物相 期，我国科学 继出生 家童第周等开 展了鱼类细胞 核移植工作 1890年，希 普将安哥拉 兔的胚胎移 入比利时兔 的输卵管内， 得到了两只 安哥拉兔， 这是世界上 胚胎移植成 功的首例 1907年，哈里 森用一滴淋巴 液成功培养了 蝌蚪的神经元， 首创了动物组 织体外培养法 1978年，小鼠 的桑椹胚被成 功分割，次年， 科学家分割绵 羊胚胎获得了 同卵羔羊 2006年，山中 伸弥等获得了 诱导多能干细 胞，我国科学 家用这种细胞 培育出了小鼠 2014年，世界 上第一个用单 细胞基因组测 序进行遗传病 筛查的试管婴 儿在我国诞生 1996年，世界 上第一只体细 _胞克隆羊多莉 在英国诞生， 随后多种克隆 动物相继问世 2017年， 我国科学 家首次培 育了体细 胞克隆猴 2023/2/3 动物细胞工程(含胚胎工程)的发展历程 1951年，张 明觉等发现 了哺乳动物 → 精子的获能 现象 1981年，埃文 斯等成功分离 和培养了小鼠 的胚胎干细胞 1975年，米尔 斯坦和科勒等 创立了单克隆 抗体技术 从社会中来 在治疗大面积烧伤时，通常采用的方法是取 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，而且会产生免疫排斥反应。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? 可以从病人身上取少量正常、健康的皮肤在体 建的人造皮肤 外进行培养、扩增。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。 2023/2/3 通过细胞培养构 动物细胞工程常用的技术包括动物细胞培养、 动物细胞融合和动物细胞核移植等，其中动物细 胞培养是动物细胞工程的基础。 2023/2/3 一、动物细胞培养的条件 动物细胞培养是指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。 原 理 ：细胞增殖(有丝分裂)。 1.动物细胞培养的条件 (1 ) 营 养 ：糖类、氨基酸、无机盐、维生素等。 ①合成培养基：将细胞所需的营养物质按种类和所需量严 格配制的培养基。 ②动物血清：含人类未知、细胞生长和增殖所必需的物质。 ③培养基的物理性质：培养动物细胞一般使用液体培养基， 也称为培养液。 2023/2/3 (2)无菌、无毒的环境 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培养液需要定期更换，以便清除代谢物，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 ①适宜的温度：哺乳动物细胞培养的温度多以36.5±0. 5℃为 宜。 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： 维持细胞正常的形态和功能。 (4)气体环境 通常采用培养皿或松盖培养瓶。并将它们置于含有 95%空气和5%CO₂的混合气体的CO₂培养箱中进行培养。 0₂ : 细胞代谢所必需的。 CO₂: 主要作用是维持培养液的pH。 2023/2/3 二、动物细胞培养的过程 取动物组织 制成细胞悬液 转入培养液进行原代培养 放入CO₂ 培养箱中培养 分瓶 进行传代培养 取动物组织 放入CO₂ 培养箱中培养 制成细胞悬 转入培养液中进行 原代培养 传代培养 2023/2/3 1.取动物组织 一般取材于动物胚胎或幼龄动物的组织、器官。因为这 些细胞分化程度低，增殖能力强，容易培养。 2.制成细胞悬液 (1) 将细胞分散成单个细胞。①机械 的方法。②用胰蛋白酶、 胶原蛋白酶等处理一段时间。 原 因 ：①从动物体取出的成块组织中，细胞与细胞靠在 一 起 ，彼此限制了生长和增殖；②能使细胞与培养液充分接 触，更易进行物质交换。 (2)用培养液将细胞制成细胞悬液。 2023/2/3 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。胃蛋白酶作用的适宜pH约为2,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。 2023/2/3 3.进行原代培养 (1)操作过程：将细胞悬液放入培养皿或培养瓶内，置于适宜环境中 培养。原代培养：通常将分瓶之前的细胞培养，即动物组织经处理后 的初次培养称为原代培养。 (2)体外培养的动物细胞类型 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：需要贴附于某些基质表面才能生长增殖(细胞贴 壁),大多数细胞属于此类。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。 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。 2023/2/3 4.分瓶、进行传代培养 悬浮培养的细胞会因细胞密度过大、有害代谢物积累和培 养液中营养物质等因素而分裂受阻，贴壁细胞在生长增殖时， 除受上述因素影响外，还会发生接触抑制现象。这时就需要 对细胞进行分瓶培养，让细胞继续增殖。传代培养：将分 瓶 后的细胞培养称为传代培养。 (1)悬浮生长类：直接用离心法收集。 (2)贴壁生长类：需要重新用胰蛋白酶等处理，使之分散成 单个细胞，然后再用离心法收集。 之后，将收集的细胞制成细胞悬液，分瓶培养。 2023/2/3 制成细胞悬液 转入培养液进 行原代培养 大多数需要贴附于某些 基质表面才能生长增殖 机械法或胰蛋白酶、 胶原蛋自酶处理将组 织分散成单个细胞 一类细胞能够悬浮在 培养液申生长增殖 动物胚胎、幼龄动物 用培养液将细胞制成细胞悬液 重新用胰蛋白酶等处理， 使之分散成单个细胞， 然后再用离心法收集 进 行传代培养 2023/2/3 直接用离 心法收集 取动物组织 分瓶 思考·讨论·有关动物细胞培养的问题 1.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? 细胞的增殖能力与供体的年龄有关，幼龄动物的细胞增 殖能力强，有丝分裂旺盛，老龄动物的细胞则相反。所以， 一 般来说，幼龄动物的细胞比老龄动物的细胞易于培养。同 样 ，分化程度越低的细胞，增殖能力越强，所以更容易培养。 2023/2/3 植物组织培养 动物细胞培养 原理 植物细胞的全能性 细胞增殖 培养前处理 离体 用机械法或胰蛋白酶、胶原 蛋白酶将组织细胞分散开 取材 离体植物器官、组织、细胞 动物胚胎或幼龄动物的组织、 器官 培养基的物理性质 固体 液体(又称培养液) 培养基的成分 有机营养成分 无机营养成分 植物激素 糖类、氨基酸、无机盐、 维生素等营养物质及一 些天然成分如血清 特有成分 植物激素 血清 2.动物细胞培养和植物组织培养的比较 2023/2/3 植物组织培养 动物细胞培养 特殊环境条件 再分化需光 气体环境 结果 一般获得新的植株 获得大量细胞 是否体现细胞的 全能性 是 否 过程 外植体 (离体的器官、组织或细胞) 饕 愈伤组织 琵 根、芽或胚状体 囊 完整植株 动物组织块 攀霆鼻酶 单个细胞 加培养液 细胞悬液 原代培养 细胞悬液 传代培养 相同点 ①培养过程中细胞都进行有丝分裂，不涉及减数分裂； ②均需无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件。 2.动物细胞培养和植物组织培养的比较 2023/2/3 三、干细胞培养及其应用 1.干细胞 (1)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)分布：存在于早期胚胎、骨 髓和脐带血等多种组织和器官中。 (3)分类：包括胚胎干细胞和成 体干细胞等。 电镜下的胚胎干细胞 2023/2/3 ①胚胎干细胞(简称ES细胞):也叫全能干细胞，存在于早 期胚胎中，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。 ②成体干细胞：是成体组织或器官内的干细胞，包括骨髓中 的造血干细胞(多能干细胞)、神经系统中的神经干细胞和 睾丸中的精原干细胞(专能干细胞)等。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。 应用最成熟的成体干细胞：造血干细胞，主要存在于成 体的骨髓、外周血和脐带血中。 2023/2/3 2.诱导多能干细胞(iPS 细胞) (1)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。 (2)获取方法：①将特定基因或特定蛋白导入细胞；②用 小分子化合物诱导形成。 (3)诱导多能干细胞优 取成纤维细胞等 细胞发生转化 点：①诱导过程无须破 病人 坏胚胎；② iPS细胞可以 来源于病人自身的体细 田胞 胞，将它移植回病人体 移植 分化 内 后 ，理论上可以避免 肝细胞 心肌细胞 免癌排斥反应。 iPS细胞用于治疗人类疾病示意图 肠上皮细胞 胰岛细胞 iPS细 胞 神经元 转入相关因子 类型 应用 造血干细胞 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 神经干细胞 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) 诱导多能干细 胞(iPS细胞) 可治疗小鼠的镰状细胞贫血症，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 3.干细胞的应用 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。 2023/2/3 课堂练习 1.下列属于动物细胞培养与植物组织培养区别( A ) A.动物细胞培养所用的培养基的成分与植物的不同 B.动物细胞培养不需要在无菌条件下进行 C.动物细胞培养过程中可发生基因重组，而植物组织培养不能 D.植物组织培养和动物细胞培养都体现了细胞的全能性 2.在将动物组织块分散成单个细胞时，可以使用胰蛋白酶。由此不能推 测出来的是 ( D ) A.动物细胞之间可能依靠蛋白质相互联系 B.胰蛋白酶可能会对动物细胞造成损伤 C.处理时一定要注意处理时间、加酶量 D.换用胃蛋白酶也能起到相同的作用 2023/2/3 课堂练习 3.某医院接生了一名婴儿，医院为他保留了脐带血，若后来他患了胰岛 素依赖型糖尿病，就可以通过脐带血中的干细胞为其治疗。关于这个实 例说法正确的 ( C ) A.用干细胞培育出人体需要的器官来治疗疾病，需要激发细胞的所 有全能性 B.用脐带血干细胞能治疗这个孩子的所有疾病 C.如果要移植用他的干细胞培育出的器官，需要用到细胞培养技术 D.如果要移植用他的干细胞培养出的器官，应该长期给他使用免疫 抑制药物 2023/2/3 课堂练习 4.右图为动物细胞培养过程示意图，请回答以下几个问题： (1)容器A中的动物器官或组织首先要剪碎，然后用胰蛋白酶处理，其 目的是_使组织分散成单个细胞。 (2)培养先在B瓶中进行。瓶中的培养基成分有葡 萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和 动物血清等。当 细胞分裂生长到相互接触时，就会停止增殖，需用 胰蛋白酶处理后分瓶继续培养，称为传代培养。 (3)有一类不正常的动物细胞，体外培养不受接触 抑制机制的制约而表现为“疯长”这类细胞最可能是 癌细胞。 2023/2/3 拓展应用 (1)像建立骨髓库一样，有研究团队正在尝试建立HLA(Hum an 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HLA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。 (2)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。 2023/2/3 $$