2.2.1动物细胞培养教案-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第2节　动物细胞工程 一　动物细胞培养 教学分析 · 教学目标 1.使学生理解动物细胞培养的原理和条件，掌握干细胞的类型及其应用，形成结构与功能相统一的观念。（生命观念） 2.通过资料分析和问题探讨，培养学生的推理、归纳和批判性思维。（科学思维） 3.通过任务驱动，引导学生探究动物细胞培养的条件、过程及应用，提升实验分析能力。（生命观念、科学探究） 4.讨论干细胞的伦理问题，增强学生对生物技术应用的理性认识。（社会责任） · 教学重难点 重点：1.动物细胞培养的条件和过程。 2.干细胞在医学上的应用。 难点：动物细胞培养的关键步骤及影响因素。 · 教学方法 采用直观教学法、讲述法、启示法、讨论法等教学方法。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体、白板、学案、PPT等。 教学设计 导入新课 利用教材“从社会中来”栏目中的情境，理解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。教师提出问题：如何获得大量的自体健康皮肤？结合课前预习，教师引导学生回答：可以利用动物细胞培养技术获得大量的自体健康皮肤。 (设计意图：以真实的情境导入，让学生认识动物细胞培养技术与生活的联系，同时激发学生的学习兴趣。) 讲授新课 任务一、动物细胞培养的条件和过程 【师】介绍动物细胞工程的技术：动物细胞培养、动物细胞融合和动物细胞核移植等，其中动物细胞培养是动物细胞工程的基础，引出动物细胞培养的重要性。 【师】请同学们阅读教材第43~45，结合资料回答相关问题。 资料1：体外培养的细胞就像在体内生活的细胞一样，需要一些基本的营养物质和生长因子，如糖类、氨基酸、无机盐、维生素等。不同组织来源的细胞需要不同的生长因子，而且需求量也不同，所以必须精心设计这些成分的比例，并且一般要在培养基中加入血清等天然成分。 （1）进行动物细胞培养时，为什么要在培养基中加入血清等天然成分? （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，哪些细胞更易于培养？为什么？ （3）进行动物细胞传代培养时常用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是什么？传代培养时为什么要用胰蛋白酶？如果改用胃蛋白酶，会出现什么问题？请结合酶活性和细胞生存条件分析。 （4）“细胞增殖到互相接触的时候，糖蛋白识别了这种信息，就会使细胞停止分裂增殖，出现接触抑制的现象”。试结合癌细胞的特点，分析其为何无接触抑制现象？这对医学研究有何启示？ 【生】通过阅读教材和分析资料，回答相关问题。 （1）血清中含有多种维持细胞正常代谢和生长的物质，如蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等，由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，因此进行动物细胞培养时，为保证细胞能顺利生长和繁殖，一般需要向培养基中添加血清等天然成分。 （2）幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更易培养。原因是这些细胞分裂能力强。 （3）细胞间的物质主要是蛋白质；不可以使用胃蛋白酶；因为多数动物细胞生存的适宜pH为7.2～7.4，胰蛋白酶在此环境中活性较高，而胃蛋白酶的适宜pH为1.5左右，在 pH为7.2～7.4的环境中会失去活性，因此胃蛋白酶不适用于细胞培养时的处理。 （4）癌细胞；癌细胞的细胞膜上的糖蛋白等物质减少。 对医学研究的启示： ①癌症诊断与早期筛查：癌细胞无接触抑制现象是其区别于正常细胞的重要特征之一，可作为癌症诊断和早期筛查的潜在标志物。 ②靶向治疗药物研发：深入了解癌细胞失去接触抑制的分子机制，有助于开发针对癌细胞特定信号通路的靶向治疗药物。 【师】对动物细胞培养的知识进行总结，并列表比较与植物细胞培养的区别。 【生】回忆上节课中植物组织培养的知识，完善下列表格。 项目 动物细胞培养 植物组织培养 理论基础 细胞增殖 植物细胞的全能性 培养前处理 无菌；用机械的方法或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理，将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、矿质元素、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 快速繁殖、作物脱毒、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 【师】【迁移拓展】某生物实验室计划开展一项动物细胞培养实验，以研究细胞的增殖特性。然而在实验过程中，实验人员发现细胞生长缓慢，且部分细胞出现死亡现象。实验室负责人怀疑是细胞培养条件或操作过程存在问题。请同学们以小组为单位，分析可能的原因，并提出相应的改进措施。 【生】可以从以下几个方面讨论交流。 1. 无菌条件：细胞培养过程中是否受到微生物污染？ 2. 培养基成分：培养基是否适合细胞生长？是否需要调整成分或更换新鲜培养基？ 3. 环境条件：温度、pH值和气体环境是否符合要求？ 4. 细胞状态：细胞的接种密度、传代次数是否合适？是否需要优化 评价设计：请学生以小组为单位，分析细胞生长缓慢，且部分细胞出现死亡现象可能的原因，并提出相应的改进措施。 学生小组讨论：学生分组讨论上述问题，结合所学知识，分析可能的原因，并提出改进措施。汇报交流，每组选派一名代表进行汇报，其他小组可以提问或补充。 评价标准： ①知识掌握（40分）：学生是否准确分析了动物细胞培养的条件和操作过程中的关键问题。 ②问题分析（30分）：学生是否能够从多个角度分析问题，并提出合理的假设。 ③改进措施（20分）：学生提出的改进措施是否科学、可行，是否能够解决实际问题。 ④汇报表现（10分）：小组代表的汇报是否清晰、有条理，其他小组成员是否积极参与讨论。 （设计意图：通过资料分析和问题探讨，归纳总结细胞培养的条件和过程，并且结合植物组织培养的知识探索新知识。设置真实的细胞培养情境，让学生利用所学知识解决实际问题，提升学生的批判性思维及分析实验结果的能力。） 任务二、干细胞的培养及其应用 【师】呈现资料并提出相应的问题 资料1：胚胎干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是胚胎干细胞具有全能性，可以被诱导分化形成新的组织、器官甚至个体，可解决器官移植中的供体器官不足问题，但往往因伦理问题，其应用受到限制。 资料2：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细胞等也能被诱导为iPS细胞。 请结合上述资料回答下列问题： (1)胚胎干细胞为什么可以解决供体器官不足的问题？胚胎干细胞的应用存在哪些伦理争议？ (2)从病人体内提取成纤维细胞，将其转化成iPS细胞，经诱导后产生所需细胞，将所需细胞植入病人体内，iPS细胞技术在医学上有哪些潜在优势？与胚胎干细胞相比，它的应用是否存在局限性？ （3）诱导多能干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是什么？ 【生】结合教材第46~47的内容，回答相关问题。 （1）通过胚胎干细胞体外诱导分化，可以培育出人造组织、器官，从而解决供体器官不足的问题；胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理问题，因而限制了其应用。 （2）iPS细胞诱导过程无须破坏胚胎，不会产生伦理问题，且因iPS细胞来自病人自身，将诱导产生的所需细胞移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应。 iPS细胞应用的局限性： ①重编程不完全：iPS细胞在诱导过程中可能存在重编程不完全的情况，导致细胞特性与胚胎干细胞存在差异。例如，某些iPS细胞可能保留了起始细胞的印记，影响其分化效率和功能。 ②致瘤风险：尽管iPS细胞的致瘤风险低于胚胎干细胞，但在重编程过程中使用的某些基因（如c-Myc）可能增加细胞的癌变风险。 ③分化效率：iPS细胞的分化效率相对较低，尤其是在某些特定细胞类型的分化上，可能不如胚胎干细胞高效。 ④技术复杂性与成本：iPS细胞的制备需要复杂的基因操作和严格的实验室条件，这增加了其应用的成本和技术难度。 （3）多能干细胞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。 【师】归纳总结三种干细胞的比较： 名称 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 具有分化成多种细胞或组织的潜能，但不能发育成完整个体 只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞 举例 胚胎干细胞 造血干细胞 神经干细胞 应用 用于病人的器官移植等 造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、遗传性血液病等的有效手段 在治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病方面有重要价值 【师】【迁移拓展】请结合干细胞培养及其应用的知识，写出利用iPS细胞治疗糖尿病（病因为胰岛B细胞不足）的简要方案及预期效果。 【生】①iPS细胞制备：选取病人自身的体细胞，经过诱导转化为iPS细胞，进行体外培养和质量检测，再使其定向分化为胰岛B细胞进行移植。 ②移植或输注：通过静脉输注或局部移植的方式将胰岛B细胞引入患者体内。 ③术后监测：定期监测血糖及并发症情况。 ④预期结果：患者恢复胰岛素分泌功能，血糖含量回归正常范围，未出现严重的移植不良反应。 评价设计： 评价内容 80-100 60-80 40-60 教师评价 方案完整性是否涵盖干细胞来源、制备、移植方式及术后管理等关键步骤。 语言描述规范，用语科学 小组代表的汇报清晰、有条理，其他小组成员是否积极参与讨论。 (设计意图：通过资料分析和思考题，帮助学生理解干细胞的培养条件和应用；通过方案的设计解决实际问题，检验学生的知识迁移能力，增强学生对生物技术应用的理性认识，培养社会责任感。) 评价反馈 完成学案中的当堂训练。 课堂小结 布置作业 完成学案中的核心素养专练。搜集干细胞在医学中发挥重要应用价值的实例。 教学反思 本节课的情境导入有效，通过烧伤病人的治疗案例引入动物细胞培养技术，成功激发了学生的学习兴趣，使学生快速理解细胞培养的实际应用，为后续学习奠定了基础。教学方法多样，采用资料分析、迁移拓展、小组讨论等多种教学方法，充分调动了学生的积极性，增强了课堂互动。同时，通过及时点评和反馈，鼓励学生积极参与，有效提升了课堂氛围。通过理论联系实际，引导学生理解动物细胞培养的原理和过程，培养了学生的科学思维和生物技术实践能力，体现了生物学科的核心素养。 本节课也存在以下不足：学生表达不足，在需要个体表达观点的问题上，学生主动回答的积极性较低，部分学生存在依赖他人的情况，需进一步引导学生勇于表达。时间把控欠佳，由于课堂内容较多，部分环节时间分配不合理，导致课堂练习未能完成，无法及时反馈学生对知识的掌握情况。 板书设计 第2节　动物细胞工程 一　动物细胞培养 一、动物细胞培养的条件 二、动物细胞培养的过程 制成细胞悬液→原代培养→传代培养 三、干细胞培养及其应用 备课资源 一、动物细胞培养 1.为什么要将动物细胞分散成单个细胞培养? 在进行细胞原代培养时，可以将动物的组织分散成单个细胞培养，也可以用细胞群(团)或组织块培养，但经传代培养后，最终都要分散成单个细胞培养。分散成单个细胞后容易培养，细胞所需的营养容易供应，其代谢废物容易排出。而用大块组织培养时，内部细胞的营养供应和代谢废物的排出都比较困难，它们很难在体外长时间生存和生长。分散成单个细胞培养，还使得在细胞水平操作的技术容易实现。 2.胚胎干细胞的培养与鉴定 胚胎干细胞简称ES细胞。在体外培养ES细胞时，要最大程度地抑制其分化、维持其全能性，并促进其快速增殖、维持正常的二倍体核型。所以，在培养时，要给ES细胞提供足够的营养物质（如血清、各种嘌呤和嘧啶、非必需氨基酸等），还要加入抑制其分化的物质（如饲养层细胞、白血病抑制因子等）。在实际应用中，常用饲养层细胞来培养小鼠的ES细胞。饲养层细胞是附着在培养体系底部的单层细胞，由于经过了γ射线照射或丝裂霉素C处理，它们的有丝分裂受阻，在培养基中分裂缓慢，但它们合成、分泌的细胞生长因子和细胞分化抑制因子，能有效促进ES细胞的增殖，并维持ES细胞的未分化状态和全能性。成纤维细胞、输卵管上皮细胞等都可用作饲养层细胞。由于小鼠胚胎成纤维细胞取材方便、培养成本低，所以最常用。 对于ES细胞的检测，常从形态学、表面抗原及细胞内酶活性等方面进行。形态学鉴定是鉴定ES细胞最直观、最常用的方法。体外培养时，ES细胞为圆形或扁圆形，结构相对简单；细胞核大，细胞质少，核质比高；细胞排列紧密，单层或多层呈集落状生长，边缘清晰。另外，由于ES细胞及早期胚胎细胞表面有一些特定的抗原，它们某些酶（如碱性磷酸酶）的含量和活性都比较高，所以可以通过检测特定酶活性的高低，或用相应抗体检测特定抗原的存在来鉴定ES细胞。 3.诱导多能干细胞的鉴定 诱导多能干细胞简称iPS细胞。由于iPS细胞与ES细胞类似，所以ES细胞具有的自我更新能力和分化潜能，iPS细胞也都具备。鉴定iPS细胞的指标有很多，一些指标用来判断它与ES细胞是否呈现相同的状态，另一些指标用来判断它独特的重编程状态。例如，iPS细胞具有经典的ES细胞形态，细胞近圆形、形状比较规则、细胞核质比高、细胞集落紧密，因此可以对它们进行形态学鉴定。iPS细胞与ES细胞一样，能长期增殖，并保持未分化状态，因此可以对它们进行自我更新能力的鉴定。iPS细胞表面也具有某些特异性抗原标记，并且碱性磷酸酶的含量和活性也较高，因此可以对它们进行相关检测。除此之外，iPS细胞是诱导产生的，它们可能具有某些特殊的启动子，据此可以对它们进行某些特异性启动子的分析。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$