2.2.1 动物细胞培养 课件 2024—2025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 2.1 植物细胞工程 2.2 动物细胞工程 2.3 胚胎工程 希普：首例胚胎移植成功 哈里森:首创动物组织体外培养法 张明觉：发现哺乳动物精子获能现象 格登、童第周：体细胞核移植成功 试管家兔诞生 米尔斯坦和科勒：创立单克隆抗体技术 胚胎分割移植成功 埃文斯：成功分离和培养小鼠的胚胎干细胞 克隆羊多莉诞生 山中伸弥：获得诱导多能干细胞 单细胞基因组测序进行遗传病筛查的试管婴儿诞生 我国科学家首次培育了体细胞克隆猴。 1890年 1907年 1951年 1958年 1959年 1975年 1978年 1981年 1996年 2006年 2014年 2017年 动物细胞工程的发展历程 科技探索之路 2 原理和方法 生物学 生物学和 生物学 操作水平 水平 水平或 水平 目的 获得特定的细胞组织、器官、个体或 。 分类 细胞工程和 细胞工程 细胞 分子 细胞 组织 细胞产品 植物 动物 细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。可分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。 发育 细胞器 科技探索之路 2.2动物细胞工程 动物细胞培养 动物细胞融合 动物细胞核移植 动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础。 动物细胞培养需要哪些基本条件？ 动物细胞培养的基本操作过程是什么？ 本节聚焦 1 2 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？ 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。 提示：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； 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。 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】 “人造肉”的故事 荷兰生物学教授波斯特(M. post)手里的这份汉堡(图)有什么特殊之处吗？这份汉堡中的牛肉是波斯特把牛的骨细胞放在培养液中培育得到的。这种人工培育的牛肉能防止疯牛病病毒、口蹄疫病毒等动物病毒的感染。 第一个“能吃”的人造肉出现在2000年，美国杜鲁大 学支持的生物科学研究联合体用金鱼细胞培养出了人造鱼肉。2001年， 荷兰阿姆斯特丹大学的皮肤病专家韦特霍夫、内科医生艾伦和商人库顿宣布申请了制造人造肉的国际专利。他们的专利包括在肌肉细胞里加入胶原蛋白， 然后把它们泡在营养液里，诱导它们分裂增殖. 2015年4月2日，荷兰马斯特里赫特大学的生理学教授Mark Post认为10年之内，人造牛肉除了和自然牛肉一样美味之外，在其它方面也将优于自然牛肉，从而解决当今牛肉生产面临的环境和动物保护问题。18个月前，他亲眼见证了首块牛肌肉干细胞制造的"人造牛肉"。2019年8月27日，肯德基和人造肉公司Beyond Meat合作，推出了第一款人造鸡肉产品。 “人造肉”的故事 2019年8月27日，肯德基和人造肉公司Beyond Meat合作，推出了第一款人造鸡肉产品。此次推出人造肉炸鸡，肯德基会先在亚特兰大的一家餐厅进行测试。产品包括黄金鸡块和无骨鸡翅。如果市场反响不错，肯德基会把它添加到正式菜单、并在全美推广。这意味着，肯德基有机会成为第一家在全美国提供植物人造肉炸鸡的快餐连锁。 美国马里兰大学的博士生贾森·马西尼在《组织工程学》杂志中撰文指出，他带领的一个研究小组已经找到了在实验室内制造"人造肉"的两种方法。一种方法是，他们首先从牛、猪、家禽或鱼的肌肉组织中提取细胞，在一个薄膜上进行培育。他们发现，细胞会生长、扩张，然后从薄膜上脱落；等到脱落后的平面细胞群堆积到一定厚度时，就形成了肉；马西尼提供的另一种方法是在一种三维颗粒中培育肌肉细胞。这样培育出的细胞组织可以用来制造肉制品，比如鸡米花和碎牛肉。 “人造肉”的故事 这一种人造肉，是科学家利用干细胞培育出"肉"。培养"人造肉"属于医学上的组织工程学的范畴，到目前为止，科学家们只能培育出指甲盖大小的骨骼肌。对于人造肉，有人担心在未来的某一天会在超市里吃到培养出的"人肉"。 羽毛中提取细胞 人造肉 “人造肉”的获得利用的是什么技术？ 1．概念：从动物机体中取出相关的组织，将它分散成________，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞________和________的技术。 2．培养条件： (1)营养：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而成的培养基。①成分:在合成培养基中通常需要加入________等一些天然成分。②状态:液体培养基,也称为________。 (2)无菌、无毒的环境：①对培养液和所有培养用具进行________处理以及在________环境下进行操作。②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： (4)气体环境 【学习任务一】动物细胞培养 单个细胞 生长 增殖 血清 培养液 灭菌 无菌 培养液 温度36.5+0.5℃ pH7.2～7.4 渗透压770KPa O2和CO2（95%空气和5% CO2 ） 一.动物细胞工程 （1）动物细胞培养：从动物体中取出相关组织，将它们分散成单个细胞， 然后在适宜的培养条件下，让这些细胞生长和增殖。 （3）培养对象： 胚胎或幼龄动物的细胞较成体的细胞更易培养 （2）原理： 培育的终点：细胞 分化程度低、分裂能力强、易培养 1.动物细胞培养 （4）动物细胞培养的条件 ①营养条件 将组织块分散成单个细胞后，细胞所需的营养容易供应，其代谢废物容易排出。 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 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。 合成培养基 + 血清等天然成分 细胞增殖（有丝分裂） 思考1:为什么培养液需要定期更换？ ____________________________________________ 思考2:如何防止培养过程中的微生物污染？ ____________________________________________ 培养液 所有培养用具 灭菌 无菌环境 定期更换培养液 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 在细胞培养液中添加一定量的抗生素 ②其他条件 A.无菌、无毒的环境 对______和____________进行_____处理 在________下进行操作 还需要______________ 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 （4）动物细胞培养的条件 多数动物细胞生存的适宜pH为________ 哺乳动物细胞培养的温度多以______________为宜 维持适宜渗透压的目的______________________ 36.5±0.5℃ 7.2-7.4 维持细胞正常的形态和功能 B.温度、pH和渗透压 ②其他条件 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 （4）动物细胞培养的条件 含有___________和__________的混合气体的__________ 动物细胞培养所需气体主要有___和____ O2：_____________________ CO2：_________________________ 通常采用_______或____________ O2 CO2 细胞代谢所必需的 维持培养液的pH 培养皿 松盖培养瓶 95%空气 5%CO2 CO2培养箱 CO2培养箱 C.气体环境 ②其他条件 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 （4）动物细胞培养的条件 松盖培养瓶 （5）动物细胞培养的过程 取动物组织块 分散成单个细胞 剪碎 胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理 制成细胞悬液 加培养液 原代培养 传代培养 （分瓶培养） 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 纤维蛋白、胶原蛋白等 原代培养 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：大多数需要贴附于某些基质表面才能生长增殖（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。 （5）动物细胞培养的过程 剪碎 胰蛋白酶或 胶原蛋白酶处理 取动物组织块 分散成单个细胞 制成细胞悬液 加培养液 原代培养 传代培养 （分瓶培养） 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 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×） 铺满瓶壁后出现接触抑制（100×） （5）动物细胞培养的过程 剪碎 胰蛋白酶或 胶原蛋白酶处理 取动物组织块 分散成单个细胞 制成细胞悬液 加培养液 原代培养 传代培养 （分瓶培养） 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 先收集细胞，制成细胞悬液，再分瓶培养 a.悬浮生长类： 直接用离心法收集。 b.贴壁生长类： 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。 动物胚胎或幼龄动物的组织、器官 单个细胞 细胞悬浮液 10代细胞 50代细胞 原代培养 传代培养 细胞贴壁 剥离、分瓶 细胞 加培养液 胰蛋白酶 剪碎 接触抑制 （5）动物细胞培养的过程 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 细胞株 细胞系 （遗传物质没改变） 原代 保持细胞正常二倍体核型 部分细胞核型改变 传代 遗传物质改变突破细胞寿限 （遗传物质有的改变） 讨论1： 为什么用胰蛋白酶、胶原蛋白酶处理？这里中酶作用是什么？由此说明细胞间的物质是什么成份？用酶制备单细胞悬液不会把所培养的细胞消化掉吗？ 动物组织细胞间隙中含有一定量的弹性纤维等蛋白质，胰蛋白酶处理动物组织，可以使动物组织细胞间的蛋白质和细胞外的其他成分酶解，获得单个细胞。 催化蛋白质水解。细胞间的物质主要是蛋白质(胶原蛋白等)。 长时间处理会消化细胞膜蛋白，当然会损伤细胞，所以必须控制好时间！ （5）动物细胞培养的过程 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 讨论1： 不可以；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。 可以用胃蛋白酶处理吗？为什么？ 用胰蛋白酶两次处理的各自目的是？ ①第一次处理的目的是使组织细胞分散开； ②第二次处理的目的是使细胞从瓶壁上脱离下来，便于分瓶后继续培养。 （5）动物细胞培养的过程 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 为什么要将组织分散成单个细胞？ 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 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 讨论2：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 一.动物细胞工程 1.动物细胞培养 【情境1】在治疗大面积烧伤病人时,通常取患者自身皮肤的成纤维细胞或皮肤干细胞,在体外培养获得大量的自体健康皮肤,再移植给患者进行恢复性治疗,如图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。 任 务 活 动 (1)过程③为　　　　　　,过程④为　　　　　　。  (2)过程③和过程④中会出现接触抑制现象,该现象是指   。  原代培养 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 传代培养 【情境1】在治疗大面积烧伤病人时,通常取患者自身皮肤的成纤维细胞或皮肤干细胞,在体外培养获得大量的自体健康皮肤,再移植给患者进行恢复性治疗,如图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。 任 务 活 动 原代培养 传代培养 (3)动物细胞培养的原理是　　　　　　。动物细胞培养和植物组织培养过程中,就细胞增殖、分化来说,二者除了都需要增殖外,植物组织培养不同于动物细胞培养的是还要进行　　　　　　　　。  脱分化和再分化 细胞增殖 【情境1】在治疗大面积烧伤病人时,通常取患者自身皮肤的成纤维细胞或皮肤干细胞,在体外培养获得大量的自体健康皮肤,再移植给患者进行恢复性治疗,如图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。 任 务 活 动 原代培养 传代培养 (4)请分析图示过程选用皮肤成纤维细胞或干细胞的原因。  细胞分裂能力强,易于培养。 （1）干细胞： 动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞 来源： 类型： 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 早期胚胎、骨髓、脐带血等 胚胎干细胞、成体干细胞 （1）干细胞： 动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 ①胚胎干细胞（ES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。 特点：体积小，细胞核大、核仁明显。取自早期胚胎。也叫做全能干细胞。 来源： 类型： 早期胚胎、骨髓、脐带血等 胚胎干细胞、成体干细胞 T淋巴细胞 造血干细胞 巨噬细胞 红细胞 B淋巴细胞 血小板 肥大粒细胞 嗜中性粒细胞 嗜酸性粒细胞 嗜碱性粒细胞 （1）干细胞： 动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 来源： 类型： 早期胚胎、骨髓、脐带血等 胚胎干细胞、成体干细胞 ②成体干细胞：存在于成体组织或器官内中。 A.造血干细胞：存在于骨髓、脐带血、外周血， 可分化成各种血细胞和免疫细胞。也叫做多能干细胞。 （1）干细胞： 动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 来源： 类型： 早期胚胎、骨髓、脐带血等 胚胎干细胞、成体干细胞 ②成体干细胞：存在于成体组织或器官内中。 B. 神经干细胞：取自神经系统，可分化成神经细胞。 C. 精原干细胞：取自睾丸，可分化成无数的精子。 专能干细胞 （1）干细胞： 动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 来源： 类型： 早期胚胎、骨髓、脐带血等 胚胎干细胞、成体干细胞 ②成体干细胞：存在于成体组织或器官内中。 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。 (2)iPS细胞(诱导多能干细胞)的培养和应用 将特定基因或特定蛋白导入细胞 用小分子化合物诱导形成 ①获取方法：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、B细胞等也能被诱导为iPS细胞。 ②诱导多能干细胞优点： A. 诱导过程无需破坏胚胎。 B. 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。 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 类型 应用 造血干细胞 神经干细胞 诱导多能干细胞（iPS细胞） (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。 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 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） 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 干细胞应用面临的问题存在存在着导致肿瘤发生的风险。 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 诱导多能干细胞 （iPS细胞） 多种体细胞 iPS细胞用于治疗人类疾病示意图 定向诱导分化 体外诱导小鼠成纤维细胞 临床治疗人类疾病如： 白血病、帕金森病、阿尔茨海默病等 (3)干细胞的应用 一.动物细胞工程 2.干细胞培养及其应用 无菌、无毒 营养 温度、pH和渗透压 气体环境 制备细胞悬液 原代培养 传代培养 动物细胞培养 动物细胞培养的条件 动物细胞培养的过程 干细胞的培养和应用 干细胞的种类、特点及应用 iPS细胞的培养和应用 课堂小结 一.动物细胞工程 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 练习与应用（P47） 一.概念检测 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） 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。 （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。 二.拓展应用 练习与应用（P47） Lavf57.25.100 Lavf58.51.100 $$