第2章 第2节 第1课时 动物细胞培养（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版2019 不定项）

第2节　动物细胞工程 第1课时　动物细胞培养 课时目标 1.结合动物细胞的代谢和增殖特点，说明动物细胞培养的条件。(生命观念) 2．采用模型与建模的方法，阐明动物细胞培养的过程。(科学思维) 3．关注干细胞的研究进展及应用。(社会责任) 一、动物细胞工程和动物细胞培养的条件 1．动物细胞工程 (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：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。 3．动物细胞培养的条件 (1)营养 ①细胞所需要的各种营养物质：糖类、氨基酸、无机盐、维生素等。 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制而成的培养基。 ③天然成分：血清等。 ④培养动物细胞一般使用液体培养基，也称为培养液。 (2)无菌、无毒的环境 ①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。 (3)温度、pH和渗透压 (4)气体环境 在进行细胞培养时，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CO2培养箱中进行培养。 二、动物细胞培养的过程 1．体外培养的动物细胞类型 (1)悬浮在培养液中生长增殖。 (2)贴附于某些基质表面生长增殖。 2．过程 3．相关概念 (1)细胞贴壁：细胞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，细胞通常会停止分裂增殖。 (3)原代培养：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。 三、干细胞培养及其应用 1．来源：早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。 2．类型：胚胎干细胞和成体干细胞等。 3．胚胎干细胞 (1)概念：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，简称ES细胞。 (2)局限：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。 4．成体干细胞 (1)概念：成体组织或器官内的干细胞。 (2)类型：骨髓中的造血干细胞、神经系统中的神经干细胞、睾丸中的精原干细胞等。 (3)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。 5．诱导多能干细胞 (1)概念：通过体外诱导成纤维细胞等，获得的类似胚胎干细胞的一种细胞，简称iPS细胞。 (2)优点：诱导过程无须破坏胚胎；可来源于病人自身体细胞，理论上可以避免免疫排斥反应。 ◆漫画助学 　干细胞可用于修复组织损伤 ◆名师点睛 1．动物细胞培养一般使用的是液体培养基，并非完全的合成培养基，因为还添加了血清等天然成分。 2．进行动物细胞培养时，不能用胃蛋白酶分散细胞，主要是因为pH不合适。 3．动物细胞培养过程中，应该对培养液和培养用具进行灭菌处理。 4．动物细胞培养时，CO2培养箱内应含有5%的CO2和95%的空气。 5．正常细胞在培养瓶的瓶壁上形成的是单层细胞；癌变的细胞没有接触抑制现象，可以在培养瓶的瓶壁上形成多层细胞。 6．胚胎干细胞不仅可以诱导分化形成各种细胞，还可以诱导分化形成各种组织、器官，甚至是动物个体；但成体干细胞只能分化形成特定的细胞或组织，不能分化形成完整的动物个体。 7．iPS细胞是体外诱导产生的多能干细胞，虽然类似于胚胎干细胞，但一般认为不能诱导分化形成完整的生物个体。 ◆思维启迪 1．动物细胞培养的原理是什么？ 提示：细胞增殖。 2．动物细胞培养能否体现动物体细胞的全能性？为什么？ 提示：不能。动物细胞培养只是细胞的增殖，并没有发育成完整个体或分化成其他各种细胞。 ◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”) 1．培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。(　　×　　) 2．悬浮培养的细胞直接用离心法收集，贴壁细胞需要用胰蛋白酶等处理后再用离心法收集。(　　√　　) 3．动物细胞培养时，O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。(　　√　　) 4．干细胞都来源于早期胚胎。(　　×　　) 5．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。(　　√　　) 任务一__动物细胞培养的条件和过程 下图表示动物细胞培养的基本过程。 [问题探究] 1．过程甲为什么选取动物胚胎或幼龄动物的组织？ 答案：动物胚胎和幼龄动物的组织细胞分化程度低，细胞分裂能力强。 2．过程乙用胰蛋白酶和胶原蛋白酶等分散细胞，说明细胞间的物质主要是什么？用胃蛋白酶可以吗？为什么？ 答案：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，而胰蛋白酶和胶原蛋白酶等在此环境中活性较高。 3．过程丙所用培养液中需添加动物血清，其原因是什么？ 答案：人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，血清等一些天然成分的营养成分比较齐全，可以弥补合成培养基的不足。 1．动物细胞培养的相关处理 (1)使细胞分散开的原因：细胞与细胞靠在一起，彼此限制了生长和增殖；保证细胞所需要的营养供应；保证细胞内有害代谢物的及时排出。 (2)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。 (3)动物细胞的整个培养过程中可能多次用到胰蛋白酶和胶原蛋白酶等。第一次使用的目的是使组织细胞分散开；第二次使用的目的是使贴壁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。 (4)不同类型细胞的分瓶方法 ①悬浮生长细胞：原代培养→分裂受阻→离心法收集→制成细胞悬液传代培养。 ②贴壁生长细胞：原代培养→分裂受阻→胰蛋白酶等处理→离心法收集→制成细胞悬液传代培养。 2．植物组织培养与动物细胞培养的比较 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 结果 新的植株 新的细胞 相同点 ①培养过程中细胞都进行有丝分裂，都不涉及减数分裂 ②均需要无菌操作、无菌培养，需要适宜的温度、pH等条件 提醒：①培养动物细胞时没有脱分化的过程，因为高度分化的动物细胞发育潜能变窄，失去了发育成完整个体的能力。 ②不是所有的细胞在增殖过程中都存在接触抑制，如癌细胞可以无限增殖，不受细胞接触抑制的影响。 1．一般来说，动物细胞体外培养需要满足以下条件(　　) ①无毒的环境　②无菌的环境　③只使用合成培养基　④温度与动物的体温相近　⑤因在CO2培养箱中培养，故不需要O2　⑥多数动物细胞培养在pH为7.2～7.4的环境中 A．①②④⑤⑥ B．①②③④ C．①②③⑤⑥ D．①②④⑥ D　解析：用于动物细胞培养的合成培养基中还需加入血清等天然物质，③错误；动物细胞培养需要一定的气体环境，通常置于含有95%空气和5%CO2的混合气体的CO2培养箱中进行培养，⑤错误。故选D。 2．下图表示动物细胞培养的基本过程，下列叙述正确的是(　　) A．应选择幼龄动物的皮肤组织进行动物细胞培养 B．过程甲需要用纤维素酶和果胶酶处理 C.过程丙是传代培养，所有细胞都贴壁生长 D．过程乙是原代培养，一般不会出现接触抑制现象 A　解析：幼龄动物的皮肤细胞分裂次数少，分裂能力强，细胞培养存活率较高，A正确。纤维素酶和果胶酶是用来降解植物细胞细胞壁的酶，动物细胞没有细胞壁；过程甲应该用胰蛋白酶和胶原蛋白酶等分散细胞，B错误。过程丙是传代培养，体外培养的动物细胞可以分为两大类，一类细胞贴壁生长，另一类细胞可以悬浮在培养液中生长增殖，C错误。原代培养中会出现接触抑制的现象，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，D错误。 3．(不定项) (2024·吉林高二阶段练习)球姜酮是一种新型抗肿瘤药物。某研究小组将鼠肝癌细胞和正常肝细胞分别置于相同培养液中培养，进行了相关实验。下列相关叙述错误的是(　　) A.培养肝癌细胞时，需用含动物血清的培养基并置于CO2培养箱中培养 B．定期更换培养液可以为动物细胞提供充足的营养物质 C.培养鼠正常肝细胞时，在培养瓶壁上可形成多层细胞 D.在进行传代培养时，悬浮培养的细胞直接用离心法收集 C　解析：动物细胞培养时应在培养液中加入动物血清，因此培养肝癌细胞时，需用含动物血清的培养基并置于CO2培养箱中培养，A正确；定期更换培养液是为了给动物细胞提供充足的营养物质，还可以减少代谢废物对细胞的损害，B正确；由于正常细胞之间相互接触而发生接触抑制，正常肝细胞在培养瓶壁上只能形成单层细胞，C错误；在进行传代培养时，悬浮培养的细胞可直接用离心法进行收集，D正确。 任务二__干细胞培养及其应用 下图表示iPS细胞的培养和利用过程。 [问题探究] 1．①→②过程的实质是什么？ 答案：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顽症的原理是什么？ 答案：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器官移植后免疫排斥的问题？ 答案：由于人造器官是病人自身细胞经诱导分化形成的，所以可以避免免疫排斥反应。 三种干细胞的比较 项目 胚胎干细胞 成体干细胞 诱导多能干细胞 来源 早期胚胎 成体组织或器官 体外诱导高度分化的组织细胞形成 特点 具有分化成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，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 类似胚胎干细胞；诱导过程无须破坏胚胎；可来源于病人自身体细胞，理论上可以避免免疫排斥反应 1．中国空间站在国际上首次实现干细胞“太空造血”。在太空培养的干细胞呈现出优于地面的生长方式，在微重力环境中干细胞的体外培养更接近于胚胎内干细胞的增殖与分化。下列关于干细胞的叙述，正确的是(　　) A．造血干细胞只能分化为特定的细胞或组织 B．诱导多能干细胞应用前景不如胚胎干细胞 C．太空培养干细胞要在充满95%CO2和5%空气的培养箱中进行 D．干细胞的分化会导致遗传物质改变 A　解析：造血干细胞具有组织特异性，只能分化为特定的细胞或组织，A正确；诱导多能干细胞的诱导过程中无须破坏胚胎，而且诱导多能干细胞可以来源于病人自身的细胞，将它移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应，诱导多能干细胞应用前景优于胚胎干细胞，B错误；太空培养干细胞要在充满95%空气和5%CO2(维持培养液的pH)的培养箱中进行，C错误；干细胞的分化实质是基因的选择性表达，不会导致遗传物质改变，D错误。 2．(2024·合肥高二阶段练习)随着世界人口增长和肉类消费量的持续提高，细胞培养肉有望成为未来肉制品的来源之一，细胞培养肉的制造过程如图所示。下列叙述错误的是(　　) A.应定期向生物反应器中添加营养物质并清除代谢废物 B．95%O2和5%CO2的气体环境有利于细胞代谢的正常进行 C．图中干细胞和肌细胞中的基因表达产物不完全相同 D．制造细胞培养肉利用的生物技术主要是动物细胞培养 B　解析：动物细胞培养条件之一为无菌、无毒的环境：①消毒、灭菌，②添加一定量的抗生素，③定期更换培养液，以清除代谢废物，A正确；动物细胞培养的气体条件为95%空气(细胞代谢必需的)和5%的CO2(维持培养液的pH)，B错误；图中干细胞和肌细胞由于基因选择性表达，故两者中的基因表达产物不完全相同，C正确；制造细胞培养肉利用的生物技术主要是动物细胞培养，目的是增加细胞数量，D正确。 iPS细胞的应用——科学探究与社会责任 肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者携带的致病基因会造成其传出神经元过早死亡，从而使患者逐渐瘫痪。下图表示利用ALS患者的成纤维细胞构建ALS疾病模型来筛选药物的基本流程。 设计1：考查识图与理解能力 (1)图中过程②所应用的生物技术是______________，该过程中的细胞增殖方式是________________。 设计2：考查实验分析能力 (2)我国科学家利用小鼠的iPS细胞培育出了具有繁殖能力的小鼠——“小小”，这说明小鼠的iPS细胞具有________。 设计3：考查长句表达能力与社会责任 (3)图中所示的传出神经元与正常人的传出神经元相比，其寿命变________。在图示的筛选实验中，如何判断哪种药物对ALS患者的疗效更好？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)动物细胞培养　有丝分裂 (2)全能性 (3)短　观察药物处理后的结果，与对照组相比，神经元的存活时间越长，药物的治疗效果越好 解析：(1)图中过程②表示iPS细胞培养过程，需采用动物细胞培养技术，该过程中的细胞通过有丝分裂方式增殖。(2)将小鼠的iPS细胞培育成个体，说明小鼠的iPS细胞具有全能性。(3)题图所示的传出神经元与正常人的传出神经元相比，含有致病基因，所以寿命变短。在图示的筛选实验中，观察药物处理后的结果，与对照组相比，神经元的存活时间越长，药物的治疗效果越好。 1．(2024·福州高二检测)如图为肾脏上皮细胞培养过程示意图，已知肾脏上皮细胞属于需要贴附于某些基质表面才能生长增殖的细胞，下列叙述错误的是(　　) A．甲→乙过程需要用胰蛋白酶和胶原蛋白酶处理 B．丙过程会出现细胞贴壁和接触抑制现象 C．细胞培养丙、丁都要在无菌、无毒的环境下进行 D．丙过程指细胞在添加血清的合成培养基中传代培养 D　解析：甲→乙过程表示将组织块分散成单个细胞，需要用胰蛋白酶和胶原蛋白酶处理，A正确；丙过程表示原代培养，对于需要贴附于某些基质表面才能生长增殖的细胞而言，在培养过程中会出现细胞贴壁和接触抑制现象，B正确；细胞培养丙(原代培养)、丁(传代培养)均需要营造无菌、无毒的培养环境，C正确；丙过程指细胞在添加血清的合成培养基中原代培养，丁才是分瓶之后的传代培养，D错误。 2．(2024·西工大附中调研)相对细菌和植物细胞而言，动物细胞离体培养更需关注培养基的渗透压，这是因为动物细胞(　　) A．没有中央液泡，不能发生渗透作用 B．渗透压远高于细菌或植物细胞的渗透压 C．没有细胞壁，易吸水涨破 D．生长缓慢，各生长阶段对环境的渗透压要求不同 C　解析：动物细胞虽然无中央液泡，但是有一定浓度的细胞质，能发生渗透作用，A错误；动物细胞的渗透压不一定高于细菌或植物细胞的渗透压，B错误；由于动物细胞无细胞壁，外界渗透压一旦过低，细胞就容易吸水涨破，C正确；动物细胞不一定生长缓慢，D错误。 3．(2024·西安高二检测)动物细胞培养过程中可能出现接触抑制现象，对此下列有关叙述错误的是(　　) A．正常动物细胞培养过程中均会出现接触抑制现象 B．癌细胞无接触抑制，所以培养时可形成多层细胞 C．出现接触抑制时细胞将停止分裂活动 D．出现接触抑制后需利用胰蛋白酶处理后才可进行传代培养 A　解析：接触抑制是体外细胞培养时贴附型细胞生长的特性，正常动物细胞培养过程中并不是都会出现接触抑制现象，A错误；癌细胞培养过程中不会出现接触抑制现象，所以癌细胞培养时可形成多层细胞，B正确；出现接触抑制时细胞将停止分裂活动，C正确；出现接触抑制后需利用胰蛋白酶使贴壁生长的细胞变为单个游离细胞才可进行传代培养，D正确。 4．(2024·哈尔滨高二检测)如图为诱导多能干细胞(iPS细胞)用于治疗糖尿病的示意图，下列相关叙述错误的是(　　) A．干细胞存在于多种组织和器官中，包括胚胎干细胞和成体干细胞等 B．诱导iPS细胞分化的实质是动物细胞的细胞核具有发育的全能性 C．除图中的成纤维细胞，已分化的T细胞和B细胞等均能被诱导为iPS细胞 D．将分化得到的胰岛细胞移植回病人体内治疗，理论上可避免免疫排斥反应 B　解析：动物和人体内少数具有分裂和分化能力的细胞称为干细胞，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，A正确；诱导iPS细胞分化的实质是基因选择性表达，B错误；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细胞和B细胞等均能被诱导为iPS细胞，C正确；用患者自己的体细胞通过体外诱导成胰岛细胞，并将胰岛细胞移植回病人体内，由于移植的细胞是由病人自身细胞培养分化得到的，理论上可以避免免疫排斥反应，D正确。 5．(不定项)科研人员用动物干细胞研发出我国第一块肌肉干细胞“培养肉”，该团队使用第六代猪肌肉干细胞，经过约20 d培养得到重达5 g的“培养肉”。下列相关叙述不正确的是(　　) A．为了保证无菌环境，要在培养液中加入抗生素，不需要更换培养液 B．生物反应器内应控制温度适宜，并充入一定量的O2保证培养液pH的相对稳定 C．培养液中的支架提供了更多的细胞附着面积，有利于细胞贴壁生长 D．“培养肉”的培养有利于工厂化生产 AB　解析：为了保证无菌环境，通常需要在培养液中添加一定量的抗生素，还需要定期更换培养液，以便清除代谢产物，A错误；动物细胞培养需控制温度适宜，并充入一定量的CO2来维持培养液的pH，B错误；动物细胞培养会出现贴壁生长的特点，培养液中的支架可提供更多的细胞附着面积，C正确；动物细胞培养有利于工厂化生产，D正确。 6．(2024·重庆高二检测)如图1是培养小鼠胚胎成纤维细胞(MEF细胞)的示意图，图2是在用MEF细胞制成的饲养层上培养胚胎干细胞(ES细胞)的示意图。请据图回答问题： (1)图1所示制备细胞悬液时，常用____________________酶等来处理动物组织。配制培养液时，通常需要在合成培养基的基础上添加血清等一些天然成分，目的是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)动物细胞培养液中添加抗生素是为了抑制细菌生长，但要注意选择抗生素的________________，以保证对所培养的细胞无害。培养过程中每天更换培养液的目的是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)当MEF细胞分裂生长到______________时就停止分裂，这种现象称为细胞的接触抑制。 (4)ES细胞是由________________中分离出来的一类细胞，ES细胞在功能上具有发育的________________________________________________________________________。 在培养液中单独培养ES细胞时，ES细胞容易发生分化，结合图2可推知MEF细胞的作用是________________________________________________________________________。 答案：(1)胰蛋白酶、胶原蛋白　补充细胞未知的营养物质 (2)种类和剂量　补充营养物质和去除代谢废物，有利于细胞增殖 (3)细胞表面相互接触 (4)早期胚胎　全能性　抑制ES细胞分化 解析：(1)图1所示，制备细胞悬液时，常用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等来处理动物组织，分散成单个细胞。配制培养液时，通常需要在合成培养基的基础上添加血清等一些天然成分，补充细胞未知的营养物质。(2)动物细胞培养液中添加抗生素是为了抑制细菌生长，但要注意选择抗生素的种类和剂量，以保证对所培养的细胞无害。培养过程中每天更换培养液的目的是补充营养物质和去除代谢废物，有利于细胞增殖。(3)当MEF细胞分裂生长到细胞表面相互接触时就停止分裂，这种现象称为细胞的接触抑制。(4)ES细胞是从早期胚胎中分离出来的一类细胞，ES细胞在功能上具有发育的全能性。在培养液中单独培养ES细胞时，ES细胞容易发生分化，结合图2可推知MEF细胞的作用是抑制ES细胞分化。 学科网（北京）股份有限公司 $$