2.2.1动物细胞培养（教学课件）-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第2节动物细胞培养 第二章 细胞工程 【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? 1958年 体细胞核移植成功 发现哺乳动物精子获能现象 1951年 首例胚胎移植成功 1890年 1907年 首创动物组织体外培养法 单细胞基因组测序进行遗 传病筛查的试管婴儿诞生 克隆羊多莉诞生 胚胎分割移植成功 1978年 1975年 试管家兔诞生 1959年 1981年 分离和培养小鼠胚胎干细胞 创立单克隆抗体技术 2017年 我国科学家首次培育了体 2014年, 细胞克隆猴。 科技探索之路:动物细胞工程的发展历程 2006年 1996年 获得诱导多能干细胞 问题探讨 3月13日清晨,江苏南京一小区居民家中突 发火灾,由于现场火势较大,屋内两人无法逃 脱,丈夫把妻子放在阳台护栏外侧,紧紧拉着 妻子不放手,自己却烧伤,随后,消防员赶到, 将屋内两人救出。 思 考 : 怎样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? 患者自身的不够用,如何解决? 1)使用他人皮肤?免疫排斥反应 2)自身健康皮肤? 非常有限 大面积烧伤的病人 需要移植健康皮肤 问题探讨 动物细胞培养 动物细胞融合 动物细胞核移植 人造皮肤 单克隆抗体 克隆猴:中中和华华 动物细胞工程的基础 动物细胞工程 问题探讨 动物细胞培养: 1.概 念: 从动物体中取出相关的组织,将它分散成 如何分散 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。 在适宜的培养条件下 2.原 理 : 细胞分裂 (增殖) 3. 地位:动物细胞工程的基础 【思考】:动物组织的选择:幼龄动物 or 老龄动物 幼龄个体的细胞分化程度低、分裂能力强,易培养。 5. 目 的: 获 得细胞或者细胞产物 ①直接用合成然培养基吗? Why? ②如何维持无菌、无毒的环境? ③适宜的温度、pH 和渗透压分别是多少? ④气体环境?分别有什么作用?装置? 无菌、无毒的环境 适宜温度、pH 和渗透压 适宜的气体环境 一、动物细胞培养的条件 糖类 氨基酸 无机盐 维生素等 动物细胞培养 所需基本条件 营养 条件 其他 条件 已知成分: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。 称为合成培养基。 未知成分:使用合成培养基时,通常需加入血清等一些天然成分。血 清中含有人类尚未全部研究清楚、细胞生长和增殖所必需的物质。 注 意:培养动物细胞一般使用液体培养基,也称为培养液。 1.营养 水、糖类( 葡 萄 糖 )、氨基酸、 无机盐、维生素 …… 一、动物细胞培养的条件 一、动物细胞培养的条件 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 无 菌 如何防止培养过程中的微生物污染? 在细胞培养液中添加一定量的抗生素 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。 无毒 定期更换培养液 定期更换培养液的目的是什么? ②在无菌环境下进行操作 一、动物细胞培养的条件 3.温度、PH、 渗透压: ①适宜的温度: 哺乳动物细胞培养的温度多以 36.5 0.5 为 宜 ; 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: 维持适宜渗透压的目的 维持细胞正常的形态和功能 一、动物细胞培养的条件 4.气体环境: ①组成 动物细胞培养所需气体主要有 O₂ 和 不同气体的作用是什么? (95%)O₂ : 细胞代谢所必需的 (5%)CO₂ : 维持培养液的pH ②培养仪器 用培养皿或松盖培养瓶, 在含有 9 5 % 空 气 和 5% CO 2的混合气体的 CO, 培养箱 CO₂ 二、动物细胞培养的过程 合作探究一:请同学们自主阅读教材P₄45, 小组合作思考讨论完成问题。 1.为何动物细胞培养过程将组织分散成单个细胞呢?可用什么方法? 2.体外培养动物细胞有哪些类型? 3.什么是细胞贴壁?什么是接触抑制? 4.什么是原代培养和传代培养? 5.为什么要进行分瓶培养?怎么处理? 6.动物细胞培养与植物组织培养有什么相同之处与不同之处? 二、动物细胞培养的过程 取动物组织 制成细胞悬液 转入培养液进 行原代培养 取动物组织 分散成单个细胞 制成细胞悬液 原代培养 放入CO,培 养箱中培养 放入CO₂培 养箱中培养 传代 培养 传代培养 分 瓶 制成细胞悬液 1.取动物组织 (1)取材对象: 一般取材于动物胚胎或幼龄动物的组织、器官。 (2)取材原因: 细胞分化程度低,增殖能力强,容易培养。 取动物组织 分散成单个细胞 制成细胞悬液 原代培养 二、动物细胞培养的过程 传代培养 分 瓶 2.分散成单个细胞 (1)原因: 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利于细胞与培养液充分接触 ,更易进行物质交换。 (2)怎样将动物组织分散成单个细胞? 机械方法或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间。 ①说明动物细胞间的物质主要是什么成分?蛋白质 ②用胃蛋白酶可以吗? 不可以,因为胃蛋白酶的最适PH为1.5左右 ③胰蛋白酶处理时间过长,会怎样? 长时间会分解细胞膜蛋白,破坏细胞结构,注意控 制时间和酶用量。 取动物组织 分散成单个细胞 制成细胞悬液 原代培养 二、动物细胞培养的过程 传代培养 分 瓶 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。 取动物组织 分散成单个细胞 制成细胞悬液 原代培养 取动物组织 制成细胞悬液 3.制成细胞悬液 二、动物细胞培养的过程 放入CO₂ 培 养箱中培养 传代培养 分 瓶 二、动物细胞培养的过程 取动物组织 4.原代培养: (1)概念:指动物组织经处理后的初次培养。 能够悬浮在培养液中 生长增殖 悬浮生长 贴壁生长 (大多数) 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。——细胞贴壁 要 求 :培养瓶或培养皿的内表面 光滑、无毒、易于贴附。 分散成单个细胞 制成细胞悬液 原代培养 细胞密度过大、 有害代谢物积累、 营养物质缺乏等 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。 传代培养 解 决 办 法 ? 分 瓶 思 考 :“细胞增殖到互相接触的时候,糖蛋白识别了这种信息, 就会使细胞停止继续繁殖,出现接触抑制的现象”试结合上述解释 , 举例说明哪种细胞无接触抑制现象,并阐述原因。 癌细胞;癌细胞的细胞膜上糖蛋白等物质减少 肿瘤细胞 二、动物细胞培养的过程 条件适宜在培养液可以无限增殖下去。 肿瘤细胞失去接触抑制, 失去接触抑制 (1)收集细胞 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。 (2)将收集的细胞制成细胞悬液,分瓶培养 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: 第一次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。 二、动物细胞培养的过程 取动物组织 5.分瓶、传代培养 分散成单个细胞 制成细胞悬液 原代培养 判断依据:是否分瓶! 传代培养 分 瓶 二、动物细胞培养的过程 目前使用或冷冻保存的细胞通常为1 0 代以内,以 传代培养 保持细胞正常的二倍体核型(遗传物质不改变) ; 10~50代 这一阶段的细胞称为细胞株 培养过程 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 (无限细胞系) 细胞系的遗传物质一定改变了 ; 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 继续培养 (50代以后) 大部分细胞衰 老死亡 (有限细胞系) C [ B 增殖代数 A 80 60 40 20 0l (1)生物制品 酶、生长因子、疫苗、单克隆抗体等 (2)进行有毒物质和药物的检测 (3)临床治疗 (如人工皮肤) (4)生物学基础研究 (细胞全能性的揭示、 细胞周期及调控、癌变机理及细胞衰老的研究) 二、动物细胞培养的过程 6. 动物细胞培养意义: 原理 植物细胞的全能性 细胞增殖 培养基性质 常用固体培养基 常用液体培养基 培养基特有成分 植物激素 动物血清 培养过程 脱分化、再分化 原代培养、传代培养 培养结果 完整植株 获得大量细胞 培养目的 快速繁殖等 获得细胞或细胞产物 二、动物细胞培养的过程 植物组织培养和动物细胞培养的比较 比较项目 植物组织培养 动物细胞培养 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。 相同点 没有发育成完整个体 (1)动物细胞培养体现了动物细胞的全能性( ) 接触抑制 (2)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞( ) (3)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( (4)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( √ ) 课堂练习 1.判断正误 2.一般来说,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 加入血浆 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7.2~7.4的pH环境 需要加入氧气,呼吸 A.①②④⑤⑥ B.①②③④ C.①②③⑤⑥ D①②④⑥ 课堂练习 下推测不合理的是 A.动物细胞之间可能依靠蛋白质相互联系 B.处理时一定要注意处理时间、加酶量 长 时 间 会 分 解 细 胞 膜 蛋 C 胰 蛋 白 酶 一 定 不 会对 动 物 细 胞 造 成 损 伤 白 , 破 坏 细 胞 结 构 3.在将动物组织块分散成单个细胞时,可以使用胰蛋白酶。由此判断以 D.动物细胞培养液的pH应与胰蛋白酶作用的适宜pH基本一致 课堂练习 三、干细胞培养及其应用 1 .概念 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。存在于早期胚胎、骨髓和脐带血。 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 2.分类 ( 1 ) 胚 胎 干 细 胞 ( 简 称ES 细胞) ①分布: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 ②特点 :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。 目前科学家已分离出了小鼠、兔、牛、猴和 人等的ES细胞,在体外培养可分化成心肌 细胞、神经元细胞和造血干细胞等细胞。 ④局限性: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。 图2-13 电镜下的胚胎干细胞 (照片经后期人工上色 处理,放大约1500倍) ③应用实例: 三、干细胞培养及其应用 2.分类 (2)成体干细胞 ①分布: 存在于 成体 组织或器官内的干细胞 发现最早 造血干细胞(骨髓、外周血和脐带血中 )研究最多 ②常见类型 神经干细胞( 神经系统中 ) 应用最成熟 ③特点 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 具有育成完整个体 的能力。 ④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、再生和 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) 修 复 等密切相关。 造血干细胞 神经干细胞 三、干细胞培养及其应用 2.分类 (3 )诱导多能干细胞 ①概念: 通过 体外 诱导 转入相关因子 细胞,称为诱导 取成纤维细胞等 细胞发生转化 ②诱导方法: 病人 ①借助载体将特定基 的 T 细 胞 、B细胞 ②用 小分子化合物 血细胞 ③诱导多能干细胞优点: 胰岛细胞 ①诱导过程无 须 移植 分化 ② iPS 细胞可以来源 肝细胞 植回病人体内后,理 心肌细胞 所以,科学家普遍认为iPS 细胞的应用前景优于胚胎干细胞。 神经元 iPS细胞 肠上皮细胞 3.面临的问题及展望 面临的问题:存在导致肿瘤发生的风险。 应用展望: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。 三、干细胞培养及其应用 来源或存在 功能、特点 局限性 胚胎干细胞 (ES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 需从胚胎中获取,涉 及伦理问题,限制了 它在医学上的应用 成体干细胞 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 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 诱导多能干 细胞(iPS细 胞 ) 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。 技术不成熟。 三、干细胞培养及其应用 三种干细胞的比较 1.目前实验室培养的小鼠干细胞经过定向诱导分化,可成功地修复小鼠 损伤的心脏,下列相关叙述正确的是 A.此项研究体现了细胞的全能性 没有发育成完整个体 B.在培养干细胞时需通入O₂, 不需通入CO₂ 需要 C.干细胞具有免疫力,不需要在无菌环境中培养 需要 D.此成果的应用可避免器官移植出现的免疫排斥 课堂练习 2.肌萎缩性侧索硬化症即“渐冻症”,该病病因之一是突变的基因导致 有毒物质积累,运动神经元损伤。最新研究结果表明,利用诱导多能干 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。 下列关于诱导多能干细胞的叙述,不正确的是 A.iPS细胞分化的实质是基因的选择性表达,细胞种类增多 mRNA 不完全相同 C.若将突变的相关基因替换,或许可以起到治疗该病的作用 D.经体外诱导产生造血干细胞,在小鼠骨髓中能够增殖分化出B细胞 B.iPS细胞分化成的多种细胞中所有核酸均相同,蛋白质却不完全相同 课堂练习 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 单个 细胞 原代 组织 细胞 课堂小结 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 干细胞培养及 其应用 早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中 胚胎干细胞(ES 细胞) 成体干细胞 主要应用在医学上 干细胞的分布 干细胞的类型 干细胞的应用 一.概念检测 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0₂ ,不需要 CO ₂。( ) (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( ) 2. 干细胞有着广泛的应用前景。下列相关叙述错误的是(A ) 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 练习与应用 二.拓展应用 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。 ( 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。 练习与应用 感谢您的观看! $$