第2节 第1课时 动物细胞培养-【金版新学案】2024-2025学年高中生物选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 多选）

第2节　动物细胞工程 第1课时　动物细胞培养 [学习目标]　1.运用归纳与概括、模型构建的形式表示动物细胞培养过程。2.简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值。 知识点一　动物细胞培养的条件和过程 1．动物细胞工程常用技术 (1)常用技术：动物细胞培养、动物细胞融合和动物细胞核移植等。 (2)基础：动物细胞培养。 2．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)条件 (3)过程 ①细胞贴壁：悬液中分散的细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上。 ②接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞通常停止分裂增殖的现象。 ③原代培养：指动物组织经处理后的初次培养。 ④传代培养：分瓶后的细胞培养。 [精通教材] 1．动物细胞培养体现了动物细胞的全能性吗？ 提示：动物细胞培养未体现动物细胞的全能性，其原理是细胞增殖。 学生用书第50页 2.分散组织细胞能否用胃蛋白酶处理，处理时间越长效果越好吗？ 提示：使细胞相互分散不能用胃蛋白酶处理，主要是因为pH不合适。多数动物细胞生存的适宜pH为7.2～7.4，胃蛋白酶（适宜pH为1.5左右）在此环境中没有活性，而胰蛋白酶在此环境中活性较高，因此胰蛋白酶适用于细胞培养时的处理。使用胰蛋白酶时，要控制好作用时间，因为胰蛋白酶不仅能消化细胞间的蛋白质，长时间作用还会分解细胞膜蛋白等，对细胞造成损伤。 任务　分析动物细胞培养的过程和条件 完善有关动物细胞培养示意图，思考下列问题： (1)在动物细胞培养时，如何操作才能创造无菌、无毒的培养环境？ 提示：①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；②培养液还需要定期更换，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。 (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：95%空气加5%CO2。空气中的O2维持细胞代谢，CO2维持培养液的pH。 (3)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：幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更易培养。原因是这些细胞分裂能力强。 (4)动物细胞培养时，为什么要定时更换培养基？ 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产物的及时排出。 (5)培养瓶中的细胞培养为什么要进行传代培养？ 提示：随着原代培养的进行，细胞密度过大、有害代谢物积累和营养物质缺乏以及贴壁生长会出现接触抑制，细胞会逐渐停止分裂增殖，因此要传代培养。 [核心归纳] 1．细胞贴壁和接触抑制 (1)细胞贴壁：体外培养的细胞有些需要贴附于某些基质表面才能生长增殖，这类细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上，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，这种现象称为细胞的接触抑制。 2．原代培养和传代培养 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。 3．植物组织培养与动物细胞培养的比较 比较项目 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 培养基 固体培养基 液体培养基 过程 学生用书第51页 结果 新的植株 新的细胞 相同点 ①都需人工条件下的无菌操作；②都需要适宜的温度、pH等条件；③都进行有丝分裂，都不涉及减数分裂 应用1.（2024·云南昆明高二期末）动物细胞无论是在动物体内还是在体外培养，都需要一定的条件。下列相关叙述正确的是(　　) A．动物细胞一般是在合成培养基中培养，但需要加入血清等一些天然成分 B．动物细胞培养可以在液体培养基或固体培养基中进行 C．动物细胞培养需要在无菌、无毒环境中进行，该条件只受环境因素的影响 D．动物细胞培养无需考虑渗透压问题 答案：A 解析：用于动物细胞培养的合成培养基需加入糖类、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，还需加入血清、血浆等天然物质，补充培养基中缺乏的物质，A正确；动物细胞培养是在液体培养基中进行，不能用固体培养基培养，B错误；动物细胞培养时，培养环境必须保证无菌、无毒，该条件除了受环境因素的影响以外，还会受到自身因素的影响，如细胞代谢废物积累会对细胞自身造成危害，C错误；动物细胞培养需要考虑渗透压问题，培养液的渗透压的高低会影响细胞的形态、结构和功能，D错误。 合成培养基中加血清的原因：血清中含有多种未知的促细胞生长因子及其他活性物质，可以补充合成培养基中缺乏的物质。 　　 应用2.（2024·江苏淮安高二期中）如图为猪输卵管上皮细胞培养过程示意图。下列叙述正确的是(　　) A．甲→乙和丙→丁过程需要用胃蛋白酶处理 B．丙为原代培养，丁为传代培养，二者都需要在添加血清的合成培养基中进行 C．丙过程会出现细胞贴壁生长和接触抑制现象，而丁过程不会出现此现象 D．为避免培养过程中的杂菌污染，丙、丁过程中培养瓶盖必须旋紧不漏气 答案：B 解析：由于动物细胞间存在粘连蛋白，故甲→乙和丙→丁过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理，分散成单个细胞，该过程中不能用胃蛋白酶处理，A错误；丙为原代培养，丁为传代培养，二者都需在添加血清的合成培养基进行培养，因为对动物细胞培养所需要的营养尚不明确，B正确；丙原代培养过程和丁传代培养过程均会出现细胞贴壁和接触抑制现象，C错误；为避免培养过程中的杂菌污染，保证其气体需要，丙、丁过程中需松动培养瓶盖，将其置于含95%空气和5%CO2的混合气体的CO2培养箱中培养，D错误。 有关动物细胞培养知识点可归纳为4个“2” 1．培养材料为“2”：即动物胚胎、幼龄动物的组织和器官。 2．培养过程为“2”：即原代培养、传代培养。 3．胰蛋白酶使用“2”次：即原代培养和传代培养中均使用，目的是使细胞分散开。 4．细胞生长特点有“2”种：即贴壁生长、接触抑制或悬浮生长。 　　 知识点二　干细胞培养及其应用 1．胚胎干细胞 (1)存在位置：早期胚胎中。 (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：分离并证明了某些动物和人的ES细胞可以在体外分化成心肌细胞、神经元和造血干细胞等细胞。 2．成体干细胞 (1)存在位置：成体的骨髓、外周血和脐带血中。如骨髓中的造血干细胞、神经系统中的神经干细胞和睾丸中的精原干细胞。 (2)特点：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。 (3)应用 ①用正常的造血干细胞治疗白血病等造血系统、免疫系统功能障碍等疾病。 ②用神经干细胞治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病。 3．诱导多能干细胞 (1)概念：通过体外诱导成纤维细胞等，获得类似胚胎干细胞的一种细胞，被称为诱导多能干细胞（简称iPS细胞）。 学生用书第52页 (2)应用：治疗小鼠的镰状细胞贫血；用iPS细胞治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展。 (3)优点：诱导过程无须破坏胚胎；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。 [精通教材] 1．科学家制备iPS细胞的方法有___________________________________________ ________________________________________________________________________； iPS细胞最初是由　　　　　　　转化而来的，后来发现已分化的　　　　　　　等也能被诱导为iPS细胞。 提示：借助载体将特定基因导入细胞中，直接将特定蛋白导入细胞中或者用小分子化合物等来诱导形成iPS细胞　成纤维细胞　T细胞、B细胞 2．为什么说iPS细胞的应用前景要优于ES细胞？ 提示：因为ES细胞必须从胚胎中获取，涉及伦理问题，因而限制了在医学上的应用。iPS细胞的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，所以科学家普遍认为iPS细胞的应用前景要优于ES细胞。 任务　分析干细胞培养和应用 下图为iPS细胞的培养和利用过程，请据图回答： (1)1→2过程的实质是什么？ 提示：基因的选择性表达。 (2)诱导多能干细胞用于治疗人类的某些疾病的原理是什么？ 提示：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，经移植可使坏死或退化部位得以修复并恢复正常功能。 (3)诱导多能干细胞为什么可以解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题？ 提示：通过干细胞体外诱导分化，可以培育出人造器官，从而解决供体器官不足的问题。又由于人造器官是自身细胞经诱导分化形成的，所以可以避免免疫排斥反应。 [核心归纳] 干细胞的种类及功能 种类 来源 功能及应用 胚胎干细胞(ES细胞) 早期胚胎 能够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、器官甚至生物个体 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 诱导多能干细胞(iPS细胞) 体外诱导体细胞产生 能分化成为具有特定功能的细胞，用于治疗疾病 应用1.干细胞的培养成功是动物细胞培养领域重大的成就之一。人脐带间充质干细胞在特定诱导条件下，可分化为脂肪、肝、神经等多种组织细胞。下图表示培养人脐带间充质干细胞的大致过程。下列叙述错误的是(　　) A．人脐带间充质干细胞属于一种iPS细胞 B．通过离心除去上清液可以除去胰蛋白酶 学生用书第53页 C.过程①通常用胰蛋白酶处理 D．出现接触抑制前的一段时间内，培养瓶中的细胞数量有可能接近“J”形增长 答案：A 解析：iPS细胞是经人工诱导产生的，脐带间充质干细胞不是诱导多能干细胞，A错误；离心后，胰蛋白酶存在于离心管的上清液中，通过去除上清液可除去胰蛋白酶，B正确；过程①为分散组织细胞获得单细胞的过程，常用胰蛋白酶处理，C正确；开始培养的一段时间内，细胞分裂旺盛，其数量可接近“J”形增长，D正确。 应用2.（2024·江苏苏州高三开学考试）再生医学领域在2019年首次利用异源诱导多能干细胞（iPS细胞）培养出的眼角膜组织，移植到病人体内，成功治疗一名失明患者，且未发生免疫排斥反应。下列叙述正确的是（多选）(　　) A．造血干细胞和诱导多能干细胞（iPS细胞）的分化程度不同 B．神经干细胞和iPS细胞在治疗阿尔茨海默病等方面有重要价值 C．体外培养iPS细胞时培养液中不需要加入血清等物质 D．患者未发生免疫排斥反应是因为移植细胞与其自身细胞的基因相同 答案：AB 解析：造血干细胞和诱导多能干细胞（iPS细胞）的分化程度不同，前者大于后者，A正确。神经干细胞在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）方面有重要的应用价值；用iPS细胞治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展；可见神经干细胞和iPS细胞在治疗阿尔茨海默病等方面有重要价值，B正确。体外培养iPS细胞时培养液中需要加入血清等物质，C错误。患者未发生免疫排斥反应是因为角膜是一层透明的膜，不含有血管，也不含有淋巴组织，属于免疫豁免的部位，D错误。 思维导图 要语必背 1.动物细胞培养需要满足以下条件：①营养条件（糖类、氨基酸、无机盐、维生素等，还需要加入动物血清等天然成分）；②无菌、无毒的环境；③适宜的温度、pH和渗透压；④适宜的气体环境等。 2.动物细胞的培养分为原代培养和传代培养。大多数细胞在培养过程中会出现细胞贴壁（生长）和细胞接触抑制现象。 3.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。 1．（2024·北京海淀高三期末）下列与动物细胞培养有关的叙述，错误的是(　　) A．动物细胞培养的原理是细胞的全能性 B．CO2的作用是维持细胞培养液pH的相对稳定 C．动物细胞培养需要添加一定量的动物血清 D．可以用体外培养的人体细胞培养病毒 答案：A 解析：动物细胞培养的原理是细胞增殖，A错误；进行动物细胞培养时，需要将其置于含有95%空气和5%CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养，CO2的作用是维持细胞培养液pH的相对稳定，B正确；由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，动物细胞培养需要添加一定量的动物血清，C正确；病毒需要寄生在活细胞中，可以用体外培养的人体细胞培养病毒，D正确。 2．（2024·安徽蚌埠高三期末）动物细胞培养是动物细胞工程的基础。下列叙述正确的是(　　) A．一般选择幼龄动物的细胞培养，原因是其细胞分化程度低 B．进行细胞传代培养时，每传一代，细胞数目增加一倍 C．传代培养前需用胰蛋白酶处理贴壁细胞，制成细胞悬液 D．为保证无菌的环境，需要定期更换培养液，清除代谢物 答案：C 解析：选用幼龄动物的器官或组织进行细胞培养，是因为幼龄动物的器官或组织的分裂能力强，A错误；细胞培养中每更换一次培养瓶算是传一代，并不是细胞分裂一次，B错误；贴壁细胞会出现接触抑制现象，需用胰蛋白酶处理进行传代培养，C正确；为保证无菌、无毒的环境，需要对培养液和培养用具进行灭菌处理及在无菌条件下操作，而不是更换培养液，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的毒害，D错误。 3．下列关于动物细胞培养的叙述，错误的是(　　) A．通常将动物组织经处理后的初次培养称为原代培养 B．在原代培养过程中，细胞在培养液中悬浮生长和增殖 学生用书第54页 C.发生接触抑制时需要再次使用胰蛋白酶处理细胞 D．动物细胞培养时要求培养瓶或培养皿内表面光滑 答案：B 解析：通常将动物组织细胞经处理后的初次培养称为原代培养，A正确；在原代培养过程中，细胞会出现两种类型，一类能够悬浮在培养液中生长和增殖，另一类则需要贴壁生长，B错误；发生接触抑制时，需要再次使用胰蛋白酶处理细胞，制成细胞悬液，C正确；动物细胞培养时，要求培养瓶或培养皿的内表面要光滑、无毒，易于贴附，D正确。 4．研究人员研究肥胖机理时发现了一种与脂肪细胞的分化形成有关的蛋白质M，其细胞分化过程如图所示。下列叙述错误的是(　　) A．已分化的细胞不可能继续分化为其他类型的细胞 B．肌肉细胞与脂肪细胞中均含控制蛋白质M合成的基因 C．促进蛋白质M的合成是解决肥胖问题的一条途径 D．间充质细胞是一种成体干细胞，其分化过程具有组织特异性 答案：A 解析：已分化的细胞也可能继续分化为其他类型的细胞，如人体的干细胞可分化为间充质细胞，间充质细胞又分化为肌肉细胞或脂肪细胞，A错误。 5．（2024·辽宁本溪高二期中）科学家将Oct3、Sox2、c-Mye和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养胚胎干细胞（ES细胞）的培养基上培养这些细胞。2～3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态，称为iPS细胞。下列有关该实验的分析错误的是（多选）(　　) A．成纤维细胞需要置于含有95%O2和5%CO2混合气体的培养箱中培养 B．将小鼠成纤维细胞在相同的培养基上培养作为对照，可排除iPS细胞的产生是培养基的作用 C．理论上可以利用病人体内的iPS细胞诱导形成心脏，这样可以避免免疫排斥 D．用iPS进行人类某些疾病治疗可能存在风险 答案：AC 解析：成纤维细胞需要置于含有95%空气和5%CO2混合气体的培养箱中培养，其中95%空气是细胞代谢必需的，5%的CO2能维持培养液的pH，A错误；对照组可以排除干扰因素，所以要排除iPS细胞的产生不是由培养基作用的结果，需将小鼠成纤维细胞直接在培养基上培养作为对照，B正确；iPS细胞是将Oct3、Sox2、c-Mye和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中在体外培养基上形成的，不是体内本身存在的细胞，C错误；由于iPS细胞具有活跃的分裂能力，若不受控制可能转化为癌细胞，所以用它进行治疗时可能存在安全风险，D正确。 6.（创新情境）如图为动物细胞培养过程中细胞增殖情况的变化曲线，图中O、A、B、C、D、E是曲线上的点，其中B、E两点表示经筛选、分装后继续培养。据图回答问题： (1)通常将动物组织消化后的初次培养称为　　　　，在图中是　　　　段（填字母）。 (2)在动物细胞培养时，将细胞所需的营养物质按其种类和所需量严格配制而成的培养基称为　　　　培养基。通常在培养基中还需要加入适量血清、血浆等一些天然成分，血清、血浆作为天然培养基的作用是_________________________________________________。 (3)进行动物细胞培养时，选用液体培养基的pH的范围是　　　　，若将组织块剪碎，加入胰蛋白酶，可使其分散成单个细胞，为什么不能改用胃蛋白酶？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)原代培养　OB　(2)合成　补充合成培养基中缺失的成分　(3)7.2～7.4　胃蛋白酶发挥作用的pH值约为1.5，在pH值7.2～7.4环境下，酶会变性失活，不能发挥作用 解析：(1)人们通常将动物组织处理后的初次培养称为原代培养，在图中是OB段。(2)在动物细胞培养时，将细胞所需的营养物质按其种类和所需量严格配制而成的培养基称为合成培养基。通常还需要在培养基中加入适量血清等一些天然成分，血清作为天然培养基的作用是补充合成培养基中缺失的成分，有利于细胞的正常生长与增殖。(3)进行动物细胞培养时，选用液体培养基的pH为7.2～7.4，若将组织块剪碎，加入胰蛋白酶，可使其分散成许多单个细胞，若改用胃蛋白酶则不行，因为胃蛋白酶发挥作用的pH值约为1.5，在pH值为7.2～7.4的环境下，酶会变性失活，不能发挥作用。 学科网（北京）股份有限公司 $$