2.2.1 动物细胞工程（第1课时）（情境教学课件）-【大单元教学】高二生物同步备课系列（人教版2019选择性必修3）

你以为细胞培养肉长这样不他在实验室里可能长这样。细胞培养肉简称培养肉，简单理解是用细胞种出来的肉。早在1931年，丘吉尔就构想了有培养肉的未来。这边人在吃鸡肉，那边鸡在活蹦乱跳，十分动物友好。此外，随着人口增长，人们吃肉的需求也长得飞快，传统动物养殖不仅给环境带来很大压力，效率还贼低，一头黄牛养一年也就产300斤肉，这点肉量怎么够满足无肉不欢的数十亿人口？终于，细胞培养肉闪亮登场。作为新蛋白的一种，不同于植物肉的是，细胞培养肉真的是肉。肉本身就是从细胞生长发育而来的，而胞培养肉只是把这个过程从动物身体里挪到了机器里。要想种出一块细胞培养肉，首先需要精挑细选出一批种子细胞。这些种子细胞需要满足三个条件，易于获取、能分化出目标细胞、生命力旺盛。他们的重要任务是长出更多的细胞。研究人员会给这些种子细胞投喂合适的养料，我们称之为培养基。可爱的种子细胞们就在温暖舒适的培养基里吃啊吃，怎么转起来了？要想让种子细胞们更快的生长出更多的细胞，得尽可能的让它们浮起来。从最开始贴在一层平面上，慢慢长到后来用微载体带着他们飞在后面，直接让他们自己悬浮，扶得起来活命，扶不起来玩球。这么一来，细胞生长的空间大了，能接触到的养料多了，长出来的细胞也更多了，这些新长出来的细胞们站成一排，手牵手，逐渐就成为了肉。不过这样的肉薄的跟纸似的，还不够塞牙缝。要想让他们长壮实点，还得用些别的小办法。一种是在他们排排站的时候，给他们搭个支架，让他们顺杆爬。另一种先让他们长着，再通过3D打印等技术，把这一层层的堆叠成肉的模样。无论你想要肥肉、瘦肉、五花肉、肉丝、肉、块肉、臊子都不在话下。此外，还可以添加食品色素或者一些风废物质，给培养肉增色增味。不过，据细胞培养肉公司周子未来介绍，培养肉的出现并不是为了取代我们现在吃的普通肉，而是作为动物蛋白的一种补充选择。此外，根据不同营养需求进行定制，也是细胞培养弱的发展方向之一。 大家好，我是赵谦。近日我国干细胞领域再次展现重大突破。4月14日北大生命科学院的邓宏魁团队在自然杂志发表了论文，首次在国际上报道了使用化学小分子诱导人成体细胞转变为多能干细胞及诱导性多能干细胞，简称IPS细胞。IPS细胞最早是在2006年由日本的科学家山中伸弥教授发明的，他利用慢病毒转染了四个干细胞相关转录因子，成功的将将小鼠皮肤成纤维细胞诱导成了具有多项分化能力的干细胞。得到IPS细胞后，人类可以将其进一步培养分化，获得所需要的其他各种周末分化的体细胞，比如胰岛细胞、心肌细胞等等，用来修复身体的受损的组织。长远来说，还可以利用患者自身的IPS细胞重新培养出器官，这种人造的器官移植回患者体内之后，将被认定为自身的组织，从而可以避免免疫系统的攻击。可见IPS技术使人类解锁了理论上可以再造身体组织乃至器关的新技能。山中申弥教授也因此在2012年就获得了诺贝尔奖。但这项技术想要被广泛的应用，还要跨越两大难关。首先人类的器官的组成和结构复杂，目前体外培养仅能达到组织级别，还远远达不到制作器官的水平。第二传统制备IPS的方法成本非常高。即使是仅仅在体外利用IPS细胞制造出少量的人体组织，所需要消耗的成本都是惊人的。因此到目前为止，世界各个国家开展IPS细胞的临床实验都是屈指可数的。本次中国科学家所取得的成果，实际上就是一种旨在降低IPS细胞技术成本的方法。与传统的方法相比，邓鸿奎团队使用的化学小分优势非常明显，比如操作简便、时空调控性强、作用可逆，还有细胞重编程的过程也是高度可控的。另外该技术还规避了修改基因操作引发的潜在的伦理问题，有望成为更易于临床推广IPS制备手段。可以说这次中国科学家在IPS技术取得的成果意义非常重大。不过目前这项技术仍然需要深耕，要克服的困难也非常多，期待通过科学家们的不断的钻研和努力，能让这项技术更加成熟，最终实现利用干细胞再生医学造福全人类，探讨生命科学，欢迎大家一起来聊聊。 第2章 细胞工程 第2节 动物细胞工程 第1课时 动物细胞培养 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 科技探索之路：动物细胞工程（含胚胎工程）的发展历程 希普：世界上首例胚胎移植成功 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：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 1890年 1907年 1951年 1958年 1959年 1975年 胚胎分割移植成功 1978年 埃文斯：成功分离和培养小鼠胚胎干细胞 1981年 克隆羊多莉诞生 1996年 山中伸弥：获得诱导多能干细胞 2006年 我国科学家首次培育了体细胞克隆猴 2017年 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 2014年 情境导入 3 课程标准内容要求 素养目标 1.阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养是动物细胞工程的基础。2．简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值。 1.生命观念：理解动物细胞培养的条件。 2.科学思维：说出动物细胞培养的过程。 3.社会责任：阐述干细胞培养过程及其应用。 教学目标 课程标准内容、素养目标 【情境导入】细胞培养肉 5 动物细胞培养的条件 1 动物细胞培养的过程 2 目录 CONTENTS 干细胞培养及其应用 3 目录页 6 一、动物细胞培养的条件 1.动物细胞培养 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。 概念： 动物细胞工程的基础 地位： 细胞增殖 原理： 胚胎或幼龄动物的细胞 取材： 细胞分化程度低、分裂能力强，易培养。 获得细胞或细胞产物 取材： 7 一、动物细胞培养的条件 2.动物细胞培养的条件 营养条件 ②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置而成的培养基 ③物理性质：液体培养基（也称为培养液） ①成分：糖类、氨基酸、无机盐、维生素等，还需动物血清等天然成分。 思考 动物细胞培养时为什么要添加动物血清？ 人们对所需营养物质尚未全部研究清楚，动物血清中某些含人类未知、细胞生长增殖所必需的物质。 一、动物细胞培养的条件 2.动物细胞培养的条件 ②定期更换培养液：清除代谢物，防止细胞代谢物积累对细胞自身造成伤害。 无菌、无毒的环境 ①保持环境无菌、无毒：对培养液和所有培养用具进行灭菌处理；在无菌环境环境下操作。 思考 怎样防止培养过程中微生物的污染？ 在细胞培养液中添加一定量的抗生素。 一、动物细胞培养的条件 2.动物细胞培养的条件 适宜的温度、pH和渗透压 哺乳动物细胞：多以36.5±0.5℃为宜 多数动物细胞：适宜的pH为7.2~7.4 适宜的渗透压：维持细胞正常的形态和功能 适宜的气体环境 O2：细胞代谢所必需的 CO2：维持培养液的pH 主要气体成分 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。 动物细胞培养的条件 1 动物细胞培养的过程 2 目录 CONTENTS 干细胞培养及其应用 3 目录页 11 二、动物细胞培养的过程 取动物组织 制成细胞悬液 原代培养 CO2培养箱 CO2培养箱 传代培养 将组织分散成单个细胞 分瓶继续培养 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 取动物组织块 制成细胞悬液 原代培养 取材： 动物胚胎或幼龄动物的组织、器官 思考 1.取材为什么要选动物胚胎或幼龄动物？ 细胞分化程度低，分裂能力强，容易培养。 分散成单 个细胞 传代培养 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 制成细胞悬液 思考 分散成单 个细胞 用机械的方法，或用胰蛋白酶，胶原蛋白酶等处理的方法，将组织分散成单个细胞。 取动物组织块 2.培养前为什么分散成单个细胞？ 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，保证细胞所需的营养物质供应及有害产物及时排出。 方法： 原代培养 传代培养 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 制成细胞悬液 思考 分散成单 个细胞 取动物组织块 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？改用胃蛋白酶行吗？ 蛋白质； 不行，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。 用机械的方法，或用胰蛋白酶，胶原蛋白酶等处理的方法，将组织分散成单个细胞。 使用胰蛋白酶时，要控制好作用时间，因为胰蛋白酶不仅能分解细胞间的蛋白质，长时间作用还会分解细胞膜蛋白等，对细胞造成损伤。 制成细胞悬液 加培养液 方法： 原代培养 传代培养 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 取动物组织块 原代培养 加培养液 分散成单 个细胞 体外培养的动物细胞分为两类 ①悬浮生长类（少数） 细胞能够悬浮在培养液中生长，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。 大多数细胞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，这种现象称为细胞贴壁。 ②贴壁生长类（大多数） 制成细胞悬液 传代培养 悬浮生长的细胞 贴壁生长的细胞 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 取动物组织块 原代培养 思考 分散成单 个细胞 制成细胞悬液 加培养液 传代培养 体外培养动物细胞的特点 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。 由于细胞之间有接触抑制的特性，一般的正常细胞并不重叠干其他细胞之上生长，而是单层生长。 癌细胞由于无接触抑制而能够继续移动和增殖，导致细胞向三维空间扩展，发生堆积。 是否接触抑制可作为区别正常细胞与癌细胞的标志之一 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 取动物组织块 原代培养 分散成单 个细胞 制成细胞悬液 加培养液 传代培养 原代培养→传代培养 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。这时就需要对细胞进行分瓶培养，让细胞继续增殖。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。 将分瓶后的细胞培养称为传代培养。 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×） 细胞单层贴壁生长铺满瓶壁后出现接触抑制（100×） 二、动物细胞培养的过程 动物细胞培养的过程 取动物组织块 原代培养 分散成单 个细胞 制成细胞悬液 加培养液 传代培养 原代培养 传代培养 收集细胞 分瓶培养 收集细胞的方法： ①悬浮生长类：直接用离心法收集。 ②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。 注意 处理动物组织时使用的目的是使组织细胞分散开； 贴壁细胞传代培养时使用的目的是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。 动物细胞的整个培养过程中可能多次用到胰蛋白酶或胶原蛋白酶： 要求：培养瓶或培养皿的内表面光滑、无毒、易于贴附。 拓展——比较植物组织培养与动物细胞培养 植物组织培养 动物细胞培养 原理 培养前处理 取材 培养基的 物理性质 培养基 的成分 特有成分 植物细胞的全能性 细胞增殖 离体 用机械法或胰蛋白酶、胶原蛋白酶将组织细胞分散开 离体植物器官、组织、细胞 动物胚胎或幼龄动物的组织、器官 固体 液体(又称培养液) 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 植物激素 血清 拓展——比较植物组织培养与动物细胞培养 植物组织培养 动物细胞培养 特殊环境 条件 结果 是否体现细胞全能性 过程 培养基 的成分 再分化需要光 气体环境 一般获得新的植物 获得大量细胞 是 否 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。 动物细胞培养的条件 1 动物细胞培养的过程 2 目录 CONTENTS 干细胞培养及其应用 3 目录页 22 三、干细胞培养及其应用 三、干细胞培养及其应用 1.干细胞 概念： 分布： 特点： 动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞，这些细胞叫作干细胞。 干细胞存在于___________、_______和__________等多种组织和器官中。 体积较____，细胞核____，核仁______。 早期胚胎 骨髓 脐带血 小 大 明显 分类： 三、干细胞培养及其应用 1.干细胞 分类： 受精卵 原始胚胎干细胞 囊胚 胎儿 成人 胚胎干细胞 成体干细胞 三、干细胞培养及其应用 1.干细胞 胚胎干细胞（简称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。 目前科学家已经分离了兔、牛、猴和人等的ES细胞，并证明了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。 三、干细胞培养及其应用 1.干细胞 成体干细胞 存在于成体组织或器官内中，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。 精原干细胞 神经干细胞 （分布于神经系统中） 造血干细胞 （主要存在于成体的骨髓、外周血和脐带血中） （分布在睾丸中） 分化 神经细胞 分化 血细胞 分化 精原细胞 应用：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) 造血干细胞是发现最早、研究最多的、应用最成熟的实例。 应用：治疗白血病、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。 类型 三、干细胞培养及其应用 2.诱导多能干细胞（iPS细胞） 2006年，科学家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，将它称为诱导多能干细胞（简称iPS细胞），并用iPS细胞治疗了小鼠的镰状细胞贫血。 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。 ①将特定基因或特定蛋白导入细胞(成纤维细胞、已分化的T细胞或B细胞） ②用小分子化合物诱导形成 概念： 制备方法： 三、干细胞培养及其应用 2.诱导多能干细胞（iPS细胞） 优点 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。 应用实例 治疗镰状细胞贫血症； 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。 三、干细胞培养及其应用 2.诱导多能干细胞（iPS细胞） 取成纤维细胞 转入相关因子 细胞转化为iPS细胞 诱导iPS细胞定向分化为多种组织细胞 移植回病人体内 iPS细胞用于治疗人类疾病示意图 三、干细胞培养及其应用 1.下列关于动物细胞培养的叙述，正确的是（　　） A.培养保留接触抑制的细胞在培养瓶瓶壁上可形成多层细胞 B.传代培养时，贴壁生长的细胞可直接用离心法收集 C.动物细胞培养中定期更换培养液可以清除代谢物 D.细胞的传代培养次数通常是无限的 随堂检测 C 随堂检测 2.下图为肾脏上皮细胞培养过程示意图。下列叙述不正确的是（　　） A.甲→乙过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理 B.丙过程指细胞在添加血清的合成培养基中进行原代培养 C.丙和丁过程均会出现细胞贴壁和接触抑制现象 D.丁过程是传代培养的细胞，该过程体现了动物细胞的全能性 D 随堂检测 3.干眼症是由泪液分泌减少导致的眼睛干涩的病症。通过将有关基因导入已分化的体细胞获得类似胚胎干细胞（ES细胞）的诱导多能干细胞（iPS细胞），进而培养得到眼结膜组织，可分泌泪液成分“黏液素”，有望治疗干眼症。下列说法错误的是（　　） A.导入的基因能促使已分化的体细胞恢复分裂能力 B.利用iPS细胞获得眼结膜组织时应加入分化诱导因子 C.iPS细胞核移植比体细胞核移植更容易表现全能性 D.利用ES细胞治疗人类疾病的前景优于iPS细胞 D 随堂检测 4.有研究表明“渐冻症”是由突变的基因导致运动神经元合成了某种毒蛋白，从而阻碍了轴突内营养物质的流动。也有最新研究结果表明，利用诱导多功能干细胞（iPS细胞）制作前驱细胞，然后移植给渐冻症实验鼠，能延长其寿命。下列相关描述错误的是（　　） A.iPS细胞分化成的多种细胞中所有核酸相同，蛋白质却不完全相同 B.iPS细胞分化的实质是基因的选择性表达，细胞种类增多 C.若控制运动神经元合成毒蛋白的基因替换，则可以起到良好的治疗作用 D.植入神经干细胞，恢复受损的运动功能，也许会在一定程度上使“渐冻症”病情改善 A 课堂小结 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 感谢聆听！ 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 37 Lavf58.20.100 Tencent CAPD MTS Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 $$你是由大约30万亿个细胞组成的一个有序的生命体，但这些细胞一直处于不断变化中。每天有大约3.3亿个新细胞替换掉体内老旧的细胞。你的肠道内壁每隔3到5天就会自我更新，而红细胞的寿命只有120天，因此需要不断被替换。正是这种持续的再生循环保证了你身体的正常运作，皮肤始终完好无损，血液流动不间断，肠道在面对强酸时仍然保持完好无损，而这一切都离不开你体内的超级细胞干细胞。过去50年里，科学家揭示了许多关于干细胞的神奇科学。它们的再生能力使它们成为许多疾病治疗的焦点，尤其是在血液疾病方面。那么干细胞到底是什么？它们又是如何工作的呢？它们又如何影响你的生存、成长和维持？干细胞有两个独特的能力，首先，他们能够自我更新，生成更多的干细胞。其次，他们能够分化为多种不同类型的细胞。与身体中的体细胞不同，体细胞如皮肤、肌肉、脂肪、脑或骨细胞无法进行分裂。比如皮肤细胞不会通过分裂生成新的皮肤细胞，而是老化并死亡。这些细胞被称为终末分化细胞。细胞分化是一个细胞决定命运的过程，类似于人们选择职业并持续一生。我们很幸运，可以随时辞职并改变方向。但过去我们认为分化是不可逆的，一旦细胞变成了皮肤细胞，就会永远是皮肤细胞。然而我们错了。这个故事后面会详细说明。干细胞可以分裂，例如皮肤干细胞能够分裂成一个新的皮肤细胞和另一个皮肤干细胞，干细胞不仅可以分裂生成新的细胞，还可以自我更新。根据干细胞能够分化的不同类型，他们被分为不同的类别，这种能力被称为全能性或潜能。全能干细胞是干细胞中的最有价值球员，他们几乎拥有无限的分裂能力，能够分化为任何一种细胞。受精卵就是最原始的全能干细胞，从它的最初几个细胞分裂中，一个完整的人类诞生了。除此之外，还有多能干细胞，它们的潜能相对于全能干细胞来说有限，但仍可以分化为大多数细胞类型。例如，胚胎干细胞是一种多能干细胞，它们来自受精卵分裂后形成的胚泡，当干细胞的分化潜能进一步受到限制时，他们被称为专能干细胞。比如，骨髓中的造血干细胞能够分化成红细胞、白细胞和血小板。皮肤干细胞也是一个例子，它们可以分化成任何类型的皮肤细胞。成年人体内仍然保留了一些干细胞，它们存在于特定的生态位中，帮助身体维持运作用新的细胞替代老化的细胞。这些干细胞有些是多能干细胞，比如造血干细胞，还有些是单能干细胞。单能干细胞只能分化成一种类型的细胞，比如肌肉干细胞只能分化成肌肉细胞，那么所有细胞都有相同的DNA。为什么有些细胞是干细胞，而有些不是？过去我们认为细胞分化是不可逆的，但事实真的如此吗？是的，所有细胞都有相同的DNA，但并不是所有的基因都会被表达。基因是DNA中的小段信息，细胞中的蛋白质会读取基因中的信息，并将这些信息转化为细胞所需的蛋白质。被转化为蛋白质的基因被称为表达的基因，而那些没有转化为蛋白质的基因则没有被表达。在干细胞中，这种基因表达的变化尚未发生，只有当干细胞分化时，这种变化才会出现。如果我们能够改变基因的表达，是否有可能改变细胞的身份呢？2006年，科学家山中申弥和高桥合力实现了曾被认为不可能的事，他们成功地将皮肤细胞转化为了多能干细胞。他们发现了四个基因，这些基因控制的细胞中的基因表达。当这些基因被引入皮肤细胞时，有些皮肤细胞竟然变回了干细胞，这些细胞被称为诱导多能干细胞。这四个基因被称为山中茵子茵。这一突破性的发现，科学家们在2012年获得了诺贝尔奖。如今，干细胞被应用于许多不同的治疗中，骨髓移植帮助血液疾病患者再生健康细胞，研究人员利用山中因子来研究身体器官和组织的形成，希望解答有关发育和细胞分化的问题，并进一步揭示先天性疾病的奥秘。但最重要的是，正是这些强大的干细胞使得我们身体中最关键、最具保护作用的功能得以实现。