2.2.1 动物细胞培养和干细胞课件-2024-2025学年高二生物同步优质备课（人教版2019选择性必修3）

第2节 动物细胞工程 （第1课时）动物细胞培养 【本节聚焦】 1.动物细胞培养需要哪些基本条件? 2.动物细胞培养的基本操作过程是什么? 3.怎样客观分析干细胞在临床上的应用所产生的效益与风险? 第2章 细胞工程 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 1 学习目标、重难点 核心素养 1.归纳动物细胞培养的条件、过程及应用。 2.分析干细胞在临床上的应用所产生的效益与风险。 1.生命观念：阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞，在适宜的培养条件下让细胞生长和繁殖的过程。 2.科学思维：理解动物细胞培养需要满足的条件。 3.社会责任：简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值，理性看待生物技术的应用。 教学重点: 1.动物细胞培养的条件和过程 2.干细胞的应用 教学难点: 动物细胞培养的条件和过程 2 1）患者自身皮肤？ 2）使用他人皮肤如何？ 大面积烧伤： 小面积烧伤： 患者通过切除 + 植皮(自身)后恢复 从社会中来 健康皮肤有限 来源不足，免疫排斥 思考：样获得大量的自体健康皮肤？ 皮肤烧伤 通过动物细胞培养构建的人造皮肤 可以从病人身上取少量正常、健康的皮肤在体外进行培养、扩增。 借助动物细胞培养构建人造皮肤 动物细胞培养 动物细胞核移植 动物细胞融合 动物细胞工程的基础 人造皮肤 克隆猴：中中和华华 单克隆抗体 动物细胞工程技术 一、动物细胞培养 一、动物细胞培养 1. 概念： 从动物体中取出 ，将它分散成 ，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞 的技术。 相关的组织 单个细胞 生长和增殖 动物体 组织 单个细胞 细胞生长和增殖 取出 分散成 适宜条件 2. 原理： 有丝分裂（细胞增殖） 3. 目的： 获得细胞或细胞产物；不能获得完整动物个体 幼龄动物or老龄动物？为什么? 细胞分化程度低，分裂能力强，有丝分裂旺盛，容易培养。 一般取材于动物胚胎或幼龄动物的组织、器官。 思考：体外培育皮肤细胞实际上是在体外模拟体内的生理条件进行的培养。你还记得为了维持正常的生命活动，机体给细胞提供了哪些适宜的条件吗？ 充足的营养 稳定的内环境 一、动物细胞培养 思考1：机体给细胞提供了充足的营养和稳定的内环境。体外培养皮肤细胞需要满足什么条件？ 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、动物细胞培养 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 1.营养条件 培养基的构成： 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。 + 血清等天然成分 合成培养基 含人类未知、细胞生长增殖所必需的物质，满足细胞对未知营养成分的需求。 一般使用液体培养基（培养液） 不能以淀粉、蔗糖为碳源 一、动物细胞培养 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 2.无菌、无毒的环境 思考1：如何创造无菌环境？ 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 无毒? ③定期更换培养液 目的? 目的：以便清除代谢物， 防止细胞代谢物积累对细胞自身造成伤害。 思考2：离体培养的细胞对微生物没有防御能力? ④可添加一定量的抗生素 一、动物细胞培养 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 3.适宜的温度、pH、渗透压 与相应动物内环境的理化性质保持一致。 ①人体细胞外液的温度一般维持在： 36.5±0.5℃ ②正常人的血浆近中性，pH约为： 7.35~7.45 ③渗透压： 在37℃时，人的血浆渗透压约为： 770 kPa 人体？ （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 指溶液中溶质微粒对水的吸引力。 一、动物细胞培养 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 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）培养工具： 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。 2、用动植物成体的体细胞进行离体培养，下列叙述正确的是(　　) A.都需要用含95%空气和5%CO2的混合气体的培养箱 B.都需要用液体培养基 C.都要在无菌条件下进行 D.都可体现细胞的全能性 C 1、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 趁热打铁 D 二、动物细胞培养的过程 思考二：在适宜的体外培养皮肤细胞培养条件下，怎么培养健皮肤细胞？能直接培养皮肤组织吗？ 不能，组织中的细胞与细胞紧密接触在一起，会限制细胞生长和增殖， 怎样解决这一问题？ 动物体 组织 单个细胞 细胞生长和增殖 取出 分散成 适宜条件 1.动物细胞培养的过程 方法？ (1)方法： 机械法 用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间 这说明动物细胞间的物质主要是什么成分？ 蛋白质 用胃蛋白酶行吗？ 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。 胰蛋白酶会不会破坏细胞结构？ 酶的作用时间过长，也会破坏细胞结构 一是能使细胞与培养液充分接触，保证细胞所需要的营养供应； 二是能保证细胞内有害代谢物的及时排出。 (2)优点： 二、动物细胞培养的过程 动物体 组织 单个细胞 细胞生长和增殖 取出 分散成 适宜条件 1.动物细胞培养的过程 （3）细胞悬液 悬浮型细胞： 贴附型细胞: 悬浮在培养液中生长增殖（血细胞、淋巴细胞） 需贴附于某些基质表面才能增殖生长 （多数细胞上皮、纤维、神经细胞等） 悬浮生长 这类细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上。 要求：培养瓶或培养皿的内表面光滑、无毒、易于贴附。 细胞贴壁 用培养液将细胞制成细胞悬液。 将细胞悬液放入培养皿或培养瓶内，置于适宜环境中进行原代培养。 （动物组织经处理后的初次培养） （4）原代培养 二、动物细胞培养的过程 动物体 组织 单个细胞 细胞生长和增殖 取出 分散成 适宜条件 1.动物细胞培养的过程 思考：细胞培养一段时间，分裂会受阻，这是为什么？怎样解决这一问题？ 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。 悬浮生长类： 贴壁生长类： 体外培养的动物细胞 会因细胞密度过大、有害代谢物积累和培养液中营养物质缺乏等因素而分裂受阻。 除受以上因素影响外，还会发生接触抑制现象。 二、动物细胞培养的过程 名词解释： ①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。 贴壁生长与接触抑制 圆球形细胞刚开始 铺展贴壁生长（100×） 培养的动物细胞贴壁生长 并进行有丝分裂（100×） 细胞单层贴壁生长铺满瓶壁后出现接触抑制（100×） ②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。 肿瘤细胞 失去接触抑制 适宜条件下在培养液可以无限增殖下去。 癌细胞的细胞膜上糖蛋白等物质减少 正常细胞 平面观 瓶壁上的细胞层数是： 一层（或单层） 癌变细胞失去接触抑制现象，可以在培养瓶中形成多层细胞 正常细胞增殖到相互接触的时候，糖蛋白识别了这种信息，会使细胞停止继续增殖，出现接触抑制的现象。 思考2：如何解决细胞分裂受阻？ 需要对细胞进行分瓶培养，让细胞继续增殖。 思考1：接触抑制的原因是什么？ 二、动物细胞培养的过程 所有细胞能有这种现象？ 血细胞、淋巴细胞 ——传代培养 思考4：进行传代培养时，如何处理悬浮细胞和贴壁细胞？ ①悬浮型细胞： 直接用离心法收集 ②贴附型细胞： 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 将收集的细胞加上培养液制成细胞悬液，分瓶培养 二、动物细胞培养的过程 动物体 组织 单个细胞 细胞生长和增殖 取出 分散成 适宜条件 1.动物细胞培养的过程 原代培养 传代培养 放入培养瓶 在适宜条件中 在适宜条件中 分瓶培养 思考3：什么是原代培养和传代培养？ 判断依据：是否分瓶！ ①原代培养：指动物组织经处理后的初次培养。 ②传代培养：分瓶后的细胞培养。 思考5：培养过程中可能多次用到胰蛋白酶或胶原蛋白酶，目的分别是什么？ 第一次使用的目的是使组织细胞分散开； 传代培养：使细胞从瓶壁上脱离下来，分散成单个细胞，便于分瓶后继续培养。 2．动物细胞培养中需要经常转换培养基即“转管”。下列对“转管”原因的表述有误的是(　　) A．正常细胞贴壁生长一段时间后出现接触抑制，不能重叠只能形成单层细胞 B．考虑到氧气的供应，在培养瓶中加入的培养基较少，会导致营养不足 C．活细胞产生的一些代谢物对细胞自身有毒害作用，需要定时“转管”清除 D．细胞长到一定阶段，需更换培养基，诱导产生各种组织、器官 D 趁热打铁 取动物组织 分散成单个细胞 悬浮生长 贴壁生长 细胞密度过大、有害代谢物积累、营养物质缺乏等 接触抑制 传代培养 细胞悬液 原代培养 细胞分裂受阻 分瓶培养 收集细胞 二、动物细胞培养的过程 请根据给出的动物细胞培养的关键词，构建动物细胞培养的过程小结流程图 胰蛋白酶、 胶原蛋白酶 直接用离心法收集 胰蛋白酶处理分散成单个细胞 体外培养的动物生长类型 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 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、动物细胞培养的过程 请根据给出的动物细胞培养的关键词，构建动物细胞培养的过程小结流程图 ①原代培养：指动物组织经处理后的初次培养。 ②细胞贴壁：大多数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。 思考：正常细胞的培养能否一直传代培养下去？ 体外培养的动物生长类型 胰蛋白酶 原代培养 传 代 培 养 动物胚胎或幼龄动物的组织、器官 细胞悬浮液 10代细胞 50代细胞 无限传代 单个细胞 加培养液 细胞株 细胞系 传代培养 部分细胞的遗传物质可能会发生变化，增殖缓慢，甚至完全停止 大部分细胞衰老死亡 少数细胞会克服细胞寿命的自然极限，获得不死性，这些细胞已经发生了突变，正朝癌细胞发展。 10~50代 继续培养（50代以后） （有限细胞系） （无限细胞系） 目前实验使用或冷冻保存的原代培养细胞通常为10代以内，以保持细胞正常的二倍体核型（遗传物质不改变）。 二、动物细胞培养的过程 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 培养结果 培养目的 相同点 植物组织培养和动物细胞培养的比较 获得细胞或细胞产物 常用固体培养基 植物体 葡萄糖、动物血清 常用液体培养基 细胞增殖 细胞的全能性 许多细胞 快速繁殖等 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； 2.均需无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件 二、动物细胞培养的过程 趁热打铁 3．下列有关植物组织培养和动物细胞培养的比较，正确的是(　　)   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 培养前的处理 离体 将组织细胞分散开 特有成分 植物激素 血清 特殊环境条件 再分化需光 气体环境 主要过程 脱分化、再分化 原代培养、传代培养 A.后者没有体现细胞的全能性，是因为细胞核中没有本物种全套的遗传物质 B．将动物组织细胞分散开时只能使用胶原蛋白酶或胰蛋白酶 C．两者的培养过程都只涉及有丝分裂，不进行减数分裂 D．植物组织培养时也有将组织细胞分散开的操作 C 1.什么是干细胞？它有哪些类型？这些类型的干细胞各有怎样的特点和哪些方面的应用？ 2.科学家是怎样获得iPS细胞的？这种细胞与胚胎干细胞相比，有哪些应用优势？ 3.干细胞应用于临床治疗可能存在什么问题？ 4.你如何看待干细胞在临床上的应用所产生的效益与风险？ 阅读教材P46，思考并回答下列问题： 三、干细胞培养及其应用 (2)分布： (3)分类： 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。 (1)干细胞的概念： 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 胚胎干细胞 成体干细胞 按来源 全能干细胞 多能干细胞 按分化潜能 专能干细胞 三、干细胞培养及其应用 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。 胚胎干细胞 分布 特点 应用实例 在体外分化成心肌细胞、神经元细胞和造血干细胞等 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。 局限性 1.胚胎干细胞(ES细胞) 体积小，细胞核大、核仁明显。也叫做全能干细胞。 三、干细胞培养及其应用 成体组织或器官内 造血干细胞（骨髓、外周血和脐带血中） 神经干细胞（神经系统中） 精原干细胞（睾丸中） 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 成体干细胞 分布 举例 特点 应用实例 治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病（如帕金森、阿尔茨海默等） 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 造血干细胞 神经干细胞 治疗细胞损伤造成的疾病 三、干细胞培养及其应用 2.成体干细胞 发现最早，研究最多，应用最成熟的多能干细胞 单能干细胞 作用：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、修复和再生等密切相关。 3.诱导多能干细胞（iPS细胞） 三、干细胞培养及其应用 获取方法 优点 运用 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。 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。（成纤维细胞、已分化的T细胞、B细胞均可被诱导为iPS细胞） ①可治疗镰状细胞贫血症 ②在治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展。 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。 （3）诱导多能干细胞(iPS细胞) 三、干细胞培养及其应用 因此，普遍认为iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞 各种类型细胞 导入特定基因 导入特定蛋白 小分子化合物 成纤维细胞 T细胞 B细胞 iPS细胞 移植 病人 取出 存在导致肿瘤发生的风险。 面临的问题 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。 应用展望 三、干细胞培养及其应用 定向诱导分化 治疗白血病、帕金森病、阿尔茨海默病等 （3）诱导多能干细胞(iPS细胞) 来源或存在 功能、特点 局限性 胚胎干细胞(ES细胞) 成体干细胞 诱导多能干细胞(iPS细胞) 早期胚胎 能够分化成为动物体内的任何细胞，并进一步形成组织、器官甚至生物个体 成体组织或器官，如造血干细胞、神经干细胞和精原干细胞等 体外诱导体细胞产生 能分化成为具有特定功能的细胞来治疗疾病。无须破坏胚胎，且避免免疫排斥反应。 具有组织特异性，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 需从胚胎中获取，涉及伦理问题，限制了它在医学上的应用 技术不成熟。 三种干细胞比较 三、干细胞培养及其应用 4．干细胞的培养成功是动物细胞培养领域的重大成就之一，干细胞的应用前景吸引着众多科学家投入到相关研究中。在一定条件下，干细胞可以分化成其他类型的细胞。下列关于干细胞的叙述正确的是(　　) 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．不同类型的干细胞，它们的分裂和分化潜能是基本相同的 C．可以用成纤维细胞、B细胞、T细胞等细胞来制备iPS细胞 D．科学家普遍认为胚胎干细胞的应用前景优于iPS细胞 　 趁热打铁 C 动物细胞培养 动物细胞培养的概念和原理 动物细胞培养的条件 动物细胞培养的过程 原理：细胞的增殖 在适当的培养条件下，让这些细胞生长和增殖的技术 (1)营养条件 (2)无菌、无毒的环境 (3)温度、pH和渗透压 (4)气体环境 取动物组织 单个细胞 细胞悬液 原代培养 传代培养 干细胞培养及其应用 干细胞的分布 干细胞的类型 干细胞的应用 胚胎干细胞（ ES细胞） 成体干细胞 早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中 主要应用在医学上 课堂小结 课后练习 1．如图为动物细胞培养的基本过程，以下叙述错误的是(　　) A．a中放置的一般是幼龄动物的器官或组织，原因是其细胞分裂能力强 B．将组织用胰蛋白酶或胃蛋白酶处理，制成b瓶中的细胞悬液 C．c、d瓶中的培养液为无菌、无毒的环境 D．培养过程中还需要提供O2和CO2等气体环境，CO2的主要作用是维持培养液的pH B 2．吴茱萸是一种中药，其主要成分为吴茱萸碱(EVO)，为研究EVO对人胃癌细胞增殖的影响及作用机制，科研人员做了相关实验。研究发现，EVO不仅能通过诱导胃癌细胞中p53蛋白的表达，使其细胞周期阻滞在G2/M期，还能影响细胞凋亡蛋白Caspase­3的表达，最终起到治疗胃癌的作用。下列说法错误的是(　　) A．培养胃癌细胞，需将含动物血清的培养基置于CO2培养箱中 B．加入胰蛋白酶制备的胃癌单细胞悬液，会出现接触抑制现象 C．p53可能是一种细胞周期抑制蛋白，EVO能够抑制胃癌细胞的增殖 D．患者服用EVO后，胃癌细胞中Caspase­3的含量会增加 B 课后练习 3．2022年3月，中国科学家通过体细胞诱导培养出了类似受精卵发育3天状态的人类全能干细胞，这是目前全球在体外培养的“最年轻”的人类细胞，它具有发育成所有组织与器官的潜能。下列有关叙述错误的是(　　) A．该研究证明了高等动物体细胞的分化也是可逆的 B．体细胞诱导形成全能干细胞的过程遗传物质会发生变化 C．全能干细胞在分化过程中会出现形态、结构和功能的改变 D．该研究有助于解决器官短缺、异体移植排斥反应等医学难题 课后练习 B　 4．帕金森病(PD)的发生机制是多巴胺(DA)神经元变性导致多巴胺分泌减少，从而引起一系列的神经功能障碍。研究发现，iPS细胞经定向诱导后能分化为有功能的DA神经元，可用于治疗患PD的大鼠。下列说法错误的是(　　) A．定向诱导的过程中发生了基因的选择性表达 B．诱导获得iPS细胞的过程无须破坏胚胎，不涉及伦理问题 C．植入神经干细胞也能修复部分DA神经元，可缓解PD的症状 D．用iPS细胞(来源于病人自身的体细胞)进行治疗时，需长期服用免疫抑制剂 课后练习 D 10．如图是动物细胞培养的基本过程示意图。请据此回答： (1)容器A中放置的材料一般取自______________________________。 (2)容器A中的动物器官或组织首先要进行的处理是________，然后在B瓶中用____________________处理使细胞分散开， 这样做的目的是____________________________。 (3)动物器官或组织经消化后首先在C瓶中培养，称为_____培养。当C瓶中的细胞贴满瓶壁时，可分装到D瓶和E瓶中继续培养，该过程中用相应的酶处理后再用培养液将分散的细胞制成___________，然后分装。 (4)一般来说，细胞在传至10～50代时，增殖会逐渐缓慢，以至于完全停止，当继续传代培养时，少数细胞会朝着等同于________(名称)的方向发展。 课后练习 动物胚胎或幼龄动物的器官、组织 剪碎 胰蛋白酶或胶原蛋白酶 使每个细胞能与培养液充分接触 原代 细胞悬液 癌细胞 Lavf58.51.100 Lavf58.20.100 $$