第2章 第2节 第1课时 动物细胞培养（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学选择性必修第三册（人教版2024）

第2节　动物细胞工程 第1课时　动物细胞培养 [课标要求] 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(科学探究)。　2.理解动物细胞培养的条件，尤其是添加动物血清的目的、CO2的作用等(科学思维)。　3.简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值(社会责任)。 (见学生用书P40) 知识点1　动物细胞培养1.动物细胞培养技术 (1)含义 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。 (2)地位：动物细胞培养是__动物细胞工程__的基础。 2．动物细胞培养的条件 (1)营养：除__糖类__、氨基酸、无机盐和维生素等细胞所需的营养物质外，通常还需加入__血清__等一些天然成分，培养动物细胞一般用__液体__培养基。 (2)无菌、无毒的环境：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。培养液还需__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)适宜的温度、pH和渗透压：哺乳动物细胞培养的温度多以36.5±0.5 ℃为宜；多数动物细胞生存的适宜pH为__7.2～7.4__，此外，渗透压也是动物细胞培养过程中需要考虑的一个重要环境参数。 (4)适宜的气体环境：动物细胞培养所需的气体主要有CO2和O2。O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是__维持培养液的pH__。在进行细胞培养时，通常将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。 3．培养过程 (1)材料处理：对新鲜取材的动物组织进行处理，或用机械的方法，或用__胰蛋白酶、胶原蛋白酶__等处理一段时间，将组织分散成单个细胞。 (2)培养：用培养液将细胞制成__细胞悬液__，再将细胞悬液放入培养皿或培养瓶内，置于适宜环境中培养。 (3)体外培养的动物细胞的分类 体外培养的动物细胞可以分为两大类：一类细胞能够__悬浮__在培养液中生长增殖；另一类则需要__贴附__于某些基质表面才能生长增殖。 (4)原代培养与传代培养 a．原代培养：动物组织经处理后的__初次__培养，通常指分瓶之前的细胞培养。 b．传代培养：分瓶后的细胞培养。 (5)收集：在进行传代培养时，悬浮培养的细胞直接用__离心法__收集；贴壁细胞需要重新用__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。 4．影响体外动物细胞培养的因素 (1)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缺乏等因素而分裂受阻。 (2)贴壁细胞在生长增殖时，除受上述因素的影响外，还会发生__接触抑制__现象，这时就需要对细胞进行分瓶培养。 【辨正误】 (1)动物细胞培养选用的培养材料大多为动物的受精卵。(　×　) 动物细胞培养选用的培养材料大多为幼龄动物的器官或组织。 (2)进行动物细胞培养时只能使用合成培养基，不可添加天然成分。(　×　) 动物细胞培养时，在使用的合成培养基中通常要加入血清等天然成分。 (3)用于动物细胞培养的培养液和培养用具必须进行灭菌处理，并在无菌环境下进行操作。(　√　) (4)动物细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2刺激细胞呼吸。(　×　) 动物细胞培养过程中通常在培养液中通入5%的CO2，目的是维持培养液的pH。 知识点2　干细胞培养及其应用1.干细胞存在部位及其分类 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。 2．不同类型干细胞特点 (1)胚胎干细胞的特点 胚胎干细胞(简称__ES__细胞)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)成体干细胞的类型及特点 ①类型：成体组织或器官内的干细胞，其包括骨髓中的__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__等。其中造血干细胞主要存在于__成体的骨髓、外周血和脐带血__中。 ②特点：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。 3．干细胞的应用 (1)通过造血干细胞移植，用于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。 (2)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。 (3)诱导多能干细胞 因为诱导过程无须破坏胚胎，而且诱导多能干细胞(简称__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细胞的应用前景优于胚胎干细胞。 【辨正误】 (1)干细胞都存在于早期胚胎中。(　×　) 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。 (2)ES细胞存在于早期胚胎中，具有分化为成年动物体内任何一种类型细胞，并进一步形成机体所有组织、器官甚至个体的潜能。(　√　) (3)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。(　√　) (4)诱导多能干细胞可来源于病人自身的体细胞，将它移植回病人体内后，理论上可避免免疫排斥反应。(　√　) (教材P45 “2－12”拓展)完善有关动物培养示意图 探究点1　动物细胞培养技术 1．补充动物细胞培养过程图，并回答问题： (1)动物细胞培养的原理是_______________________________________。 (2)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，哪些细胞更容易培养？为什么？ (3)动物细胞培养时，除了添加糖类、氨基酸等必要的营养成分外，往往还需添加血清等一些天然成分，原因是_________________________________， 血清等一些天然成分的营养成分比较齐全，可以弥补人工培养基的不足。 (4)进行动物细胞传代培养时用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是什么？用胃蛋白酶可以吗？为什么？ 提示　机械　胰蛋白酶 (1)细胞增殖 (2)幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更容易培养。原因是这些细胞分裂能力强。 (3)人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚 (4)蛋白质。不可以。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。 1．动物细胞培养的流程图 点悟：培养过程中两次使用胰蛋白酶的作用不同：第一次用胰蛋白酶处理新鲜取材的动物组织，使之分散成单个细胞；第二次使贴壁细胞从瓶壁上脱落下来，使之分散成单个细胞。 2．界定动物细胞培养中的两对概念 (1)贴壁生长与接触抑制 ①细胞贴壁：细胞悬液中分散的动物细胞，在适宜的环境中培养一段时间后会贴附在培养瓶的瓶壁上的现象。 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。 (2)原代培养与传代培养 ①原代培养：动物组织经处理后初次在培养瓶中的培养，即在分瓶培养之前的细胞培养。 ②传代培养：贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，然后用培养瓶继续培养，让细胞继续增殖，即传代培养。 3．动物细胞培养与植物组织培养的比较 项目 动物细胞培养 植物组织培养 理念基础 细胞增殖 植物细胞的全能性 前处理 无菌；用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理，使组织分散成单个细胞 无菌、离体 取材 动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织 植物幼嫩的部位或花药等 培养基 性质 液体 固体 培养基 成分 糖类、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等 水、无机盐、蔗糖、维生素、植物激素和琼脂等 结果 细胞培养产生大量细胞，不形成新个体 可产生新个体 应用 人造皮肤的构建、动物分泌蛋白的规模化生产等 快速繁殖、脱毒苗的培育、细胞产物的工厂化生产和单倍体育种等 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 【例1】 (2024·黑吉辽)从小鼠胚胎中分离获取胚胎成纤维细胞进行贴壁培养，在传代后的不同时间点检测细胞数目，结果如图。下列叙述正确的是(　　) A．传代培养时，培养皿需密封防止污染 B．选取①的细胞进行传代培养比②更合理 C．直接用离心法收集细胞进行传代培养 D．细胞增长进入平台期可能与细胞密度过大有关 答案　D 解析　传代培养时需要营造无菌、无毒以及95%空气＋5%CO2的气体环境，而非密封，A项错误；选取②的细胞进行传代培养比①更合理，因为①的细胞核型更稳定，B项错误；对于贴壁生长的细胞，进行传代培养时，需要先用胰蛋白酶等处理，使之分散为单个细胞，然后再用离心法收集，C项错误；细胞增长进入平台期可能与细胞密度过大、出现接触抑制有关，D项正确。 【例2】 (2024·1月浙江)某动物细胞培养过程中，细胞贴壁生长至接触抑制时，需分装培养，实验操作过程如图。 下列叙述错误的是(　　) A．①加消化液的目的是使细胞与瓶壁分离 B．②加培养液的目的是促进细胞增殖 C．③分装时需调整到合适的细胞密度 D．整个过程需要在无菌、无毒条件下进行 答案　B 解析　②加培养液，多次加培养液先洗去残留的消化酶，然后终止消化液的消化作用，并对细胞加以稀释，B项错误。 探究点2　干细胞培养及其应用 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。现在，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。如图所示为iPS细胞用于治疗人类疾病示意图，请思考下列问题： (1)相对于胚胎干细胞，iPS细胞在获取方面及应用方面有哪些优势？ (2)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？ (3)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？ (4)图示信息表明，成纤维细胞“转入相关因子”可发生转化成为iPS细胞，推测“相关因子”的作用是什么？ (5)图中显示，iPS细胞可转化为胰岛细胞、神经元、血细胞、肠上皮细胞、心肌细胞、肝细胞等，这表明iPS细胞属于全能干细胞，还是多能或专能干细胞？ 提示　(1)胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理问题，因而限制了它在医学上的应用，而iPS细胞的诱导过程无须破坏胚胎；且iPS细胞可来源于病人自身的体细胞，将它移植回病人体内后，可避免免疫排斥反应。因此iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞。 (2)提前取成纤维细胞诱导形成iPS细胞并保存。 (3)可用于对哺乳动物个体生殖和发育规律的研究；解决因不能产生生殖细胞而不能采用辅助生殖技术或药物的问题，从而用于试管婴儿、试管动物的获得。可能存在诱导效率不高，诱导和应用过程中出现安全性问题等情况。 (4)可使细胞实现分化的反转，维持不分化状态。 (5)属于全能干细胞。 1．干细胞的种类及比较 类别 全能干细胞 多能干细胞 专能干细胞 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 具有组织特异性，具有分化成多种细胞或组织的潜能，不具有发育成完整个体的能力 只能分化成某一种类型或功能密切相关的几种类型的细胞，不能发育成完整个体 来源或 举例 早期胚胎(iPS细胞由成纤维细胞等诱导产生) 造血干细胞(骨髓、外周血、脐带血) 神经干细胞等(神经系统中) 应用 用于病人的器官移植等 治疗白血病以及恶性肿瘤放疗、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) 注：成体干细胞还包括睾丸中的“精原干细胞”。 【例3】 2012年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现，利用逆转录病毒将Oct4等4个关键基因导入已分化的体细胞中并表达，可使这个细胞成为类似干细胞的诱导多能干细胞(iPS细胞)。下图为该技术在人体细胞中的实验示意图。下列相关叙述，错误的是(　　) A．由iPS细胞产生其他种类细胞的过程称为细胞分化 B．利用患者的iPS细胞对其自身受损器官进行修复，与传统器官移植相比其成功率更高 C．目前iPS细胞在实际应用中还存在许多问题，例如有研究发现iPS细胞的增殖难以控制，即iPS细胞具有衰老细胞的特征 D．结合以上信息分析，iPS细胞可能容易分散 答案　C 解析　分析题图可知，图示表示将4个关键基因移植到已分化的体细胞中并表达，使这个细胞成为具有类似干细胞的诱导多能干细胞(iPS细胞)。由iPS细胞产生其他种类细胞的过程称为细胞分化，题图中①②③表示细胞分化，其实质是基因的选择性表达，A项正确；用该技术得到的新生器官替换供体病变器官，属于自体移植，基本不发生免疫排斥反应，这可以大大提高器官移植的成功率，B项正确；iPS细胞的增殖难以控制，说明iPS细胞具有癌细胞的特征，可能容易分散，C项错误、D项正确。 【例4】 胚胎干细胞是哺乳动物或人早期胚胎中的细胞，可以分裂、分化形成各种组织干细胞，再进一步分化形成不同的组织。下列叙述错误的是(　　) A．人的胚胎干细胞经过诱导分化，形成相应的组织、器官后，可以用于组织、器官的移植 B．胚胎干细胞有细胞周期，神经干细胞没有细胞周期 C．胚胎干细胞具有全能性 D．为揭示细胞分化和凋亡的机理，需要在培养胚胎干细胞的培养液中添加不同的分化诱导因子 答案　B 解析　人的胚胎干细胞经过诱导分化，形成相应的组织、器官后，可以用于组织、器官的移植，A项正确；胚胎干细胞和神经干细胞都有细胞周期，B项错误；胚胎干细胞具有全能性，即可以分化成各种组织细胞，C项正确；为揭示细胞分化和凋亡的机理，需要在培养胚胎干细胞的培养液中添加不同的分化诱导因子，D项正确。 iPS细胞的制备方法 科学家已尝试采用多种方法来制备iPS细胞，包括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。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细胞等也能被诱导成为iPS细胞。 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1．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、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。 2．动物细胞培养需要一定的营养条件，无菌无毒的环境，适宜的温度、pH和渗透压，以及适宜的气体环境。 3．动物细胞培养使用合成培养基并添加血清等天然成分，该培养基为液体培养基。 4．哺乳动物细胞培养的温度多为36.5±0.5 ℃，pH为7.2～7.4，同时还需O2＋CO2的气体环境。培养可分原代培养和传代培养。 5．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。 (见学生用书P45) 1．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．都需用CO2培养箱 B．都需用液体培养基 C．都要在无菌条件下进行 D．都可体现细胞的全能性 答案　C 解析　动、植物成体的体细胞进行离体培养都要在无菌条件下进行。动物成体的体细胞离体培养用液体培养基，需要用CO2培养箱，不能体现细胞的全能性；植物成体的体细胞离体培养不一定用液体培养基，且不需要用CO2培养箱，能体现细胞的全能性，C项正确，A、B、D项错误。 2．干细胞有着广泛的应用前景。下列相关叙述错误的是(　　) A．干细胞是从早期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 答案　A 解析　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。 3．下列有关动物细胞培养时所提供的物质及其作用的描述，不正确的是(　　) 选项 提供物质 作用 A 抗生素 主要防止培养过程中被病毒感染 B 血清 补充合成培养基中缺乏的物质 C O2 满足细胞代谢的需要 D CO2 维持培养液的pH 答案　A 解析　动物细胞培养过程中，在培养液中加入一定量的抗生素，主要是为了防止杂菌污染，A项错误；血清能补充合成培养基中缺乏的物质，B项正确；O2能满足细胞代谢的需要，C项正确；CO2能维持培养液的pH，D项正确。 4．某研究小组为测定药物对体外培养细胞的毒性，准备对某种动物的肝肿瘤细胞(甲)和正常肝细胞(乙)进行动物细胞培养。下列叙述正确的是(　　) A．制备肝细胞悬液时，可用胃蛋白酶处理肝组织块 B．恒温培养箱中的CO2浓度维持在5%左右，以促进细胞呼吸 C．为了保证细胞培养所需的无菌、无毒环境，需大量添加各种抗生素 D．本实验应设置对照实验，以检测药物对甲、乙的毒性大小 答案　D 解析　动物细胞培养制备细胞悬液时，应用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等进行处理，不能用胃蛋白酶进行处理，A项错误；动物细胞培养的过程中，浓度为5%的CO2的作用是维持培养液的pH，B项错误；为了防止杂菌污染，保证细胞培养所需的无毒环境，需适量添加抗生素，C项错误；为了检测药物对甲、乙的毒性大小，应设置培养液中不加该药物的对照实验，D项正确。 5．如图为动物细胞培养过程的示意图。 请据图回答： (1)图中①指____________，用①处理，说明细胞间的物质主要是____________。图中②的处理方法与①____________(填“一致”或“不完全一致”)，原因是进行原代培养时，当______________________________________，这种现象称为____________。 (2)动物细胞培养时，通常置于含____________的混合气体的二氧化碳培养箱中培养，CO2的主要作用是______________________________________________。 解析　(1)用胰蛋白酶(或“胶原蛋白酶”或“机械的方法”)处理，使组织分散成单个细胞，说明细胞间的物质主要是蛋白质。图中①用机械的方法，或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理的方法；图中②用胰蛋白酶等处理图中②的处理方法与①不完全一致，原因是进行原代培养时，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，这种现象称为接触抑制。(2)动物细胞培养时，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的混合气体的二氧化碳培养箱中进行培养，CO2的主要作用是维持培养液的pH。 答案　(1)胰蛋白酶(或“胶原蛋白酶”或“机械的方法”)　蛋白质　不完全一致　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　接触抑制　(2)95%空气和5%CO2 维持培养液的pH 学科网（北京）股份有限公司 $$