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

第二章　细胞工程 第2节　动物细胞工程 第1课时 动物细胞培养 教学分析 · 教学目标 1.结合人体内环境特征，推理动物细胞体外培养的必要条件。（生命观念、科学思维） 2.建构动物细胞培养的基本流程，并理解其在动物细胞工程中的核心地位。（生命观念、科学思维） 3.通过分析干细胞培养及其在医疗领域中的应用，客观分析其效益与风险，增强社会责任感。（科学探究、社会责任） · 教学重难点 重点： 1.动物细胞培养的条件。 2.动物细胞培养的过程。 3.干细胞培养的技术原理及其在医学领域的应用。 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、讨论法等教学方法。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 课前搜集准备动物细胞培养相关视频介绍、图片、动画等数字资源，制作PPT。 教学设计 导入新课 通过幻灯片展示“从社会中来”栏目中的情境，并配以图文： 1.在治疗中重度皮肤烧烫伤时，采用自体健康皮肤移植可大大提高移植成活率。 2.在大面积皮肤烧烫伤的情况下，往往面临自体健康皮肤非常有限的困境。在体内，皮肤细胞如何再生？如果脱离体内环境，细胞还能继续生长吗？ 引导同学根据事例意识到在对大面积烧烫伤病人进行自体健康皮肤移植时，存在皮肤来源不足的问题。 幻灯片链接展示体内皮肤细胞再生环境（人体内环境的成分和理化性质），引导学生运用已有的生物学知识，思考： 1.怎样才能获得大量的自体健康皮肤？ 2.能否用自体皮肤的单个细胞培养得到自体健康皮肤？ 播放人工培养皮肤的视频，引导学生概括出动物细胞工程和动物细胞培养的概念。PPT展示学习目标，让学生阅读了解本节课学习目标。 (设计意图：结合已有的内环境及其稳态的相关知识，由生活情境问题分析导入，能激发学生的学习兴趣，同时引出本节课要解决的问题，效果较好。) 探究一、类比内环境成分及理化性质，分析动物细胞培养的条件 教师展示选择性必修一人体内环境成分及理化性质，引导学生结合皮肤细胞在体内的生长和增殖需要内环境为其提供充足的营养、氧气、稳定的理化环境、同时排出代谢废物，类比思考在体外皮肤细胞的生长增殖是否也需要类似的条件，我们又该如何营造环境来满足这些条件？ 请同学们阅读教材第43~44页“动物细胞培养的条件”相关内容思考并回答下列问题： (1)体外培养动物细胞时需要提供哪些条件？ (2)如果培养基中缺少血清，动物细胞可能会出现哪些问题？请结合生物化学知识予以分析说明。 (3)为什么培养液需要定期更换？如何防止培养过程中的微生物污染？ (4)如何保证无菌、无毒的环境?？ (5)动物细胞培养时通常需要将培养瓶置于充足O2和适量CO2混合气体环境中培养的目的是什么？ 教师指导学生独立阅读教材相关内容思考问题后进行小组内交流，结合小组展示予以补充完善相关答案并总结： 1.①适宜的营养：糖类、氨基酸、无机盐、维生素、血清等营养条件；②无菌、无毒的环境；③适宜的温度（36.5+0.5℃）、pH（7.2~7.4）和渗透压；④适宜的气体环境：充足O2和适量CO2。 2.血清中含有细胞所需的人们尚未全部研究清楚的细胞生长增殖所需营养物质（蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等），因此使用人工配制的合成培养基培养细胞时，通常需要添加一定量的血清等天然成分。 3.定期更换培养液可以清除细胞代谢物，防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。可在细胞培养液中添加一定量的抗生素以防止微生物的感染。 4.①对培养液和所有培养用具进行灭菌处理；②培养过程需要在无菌环境下进行操作；③定期更换培养液，在细胞培养液中添加一定量的抗生素。 5. 动物细胞培养所需气体主要有O2和CO2 。O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。 评价设计：结合【拓展应用】对学生回答问题的完整性及科学性情况给予评价。 (设计意图：通过以提升能力素养为主要目所设计的问题来引导学生，认真阅读、整合、分析教材相关内容，自主整理得出动物细胞培养所需要的基本条件。) 探究二、建构动物细胞培养的流程图 动物细胞培养的过程是怎样的呢？教师展示图解，引导同学们阅读教材第44~45页内容，回答下列问题。 结合学生回答总结： A处理：在从动物体取出的新鲜组织块中，细胞与细胞靠在一起，生长和增殖受限制。因此，在进行细胞培养时，首先要用机械的方法，或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等将动物组织块分散成单个细胞，并用培养液将细胞制成细胞悬液，置于适宜环境中培养。 由于动物细胞培养过程中需要多次分瓶处理，人们通常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（图中B），将分瓶后的细胞培养称为传代培养（图中D）。在进行分瓶时，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后制成细胞悬液，分瓶培养（C处理）。 【思维拓展】请同学们结合动物细胞培养的条件和过程，以小组为单位讨论解决下列问题： 1.动物细胞培养过程中动物组织往往取自幼龄动物或分化程度低的细胞，这是为什么？ 2.为什么要将动物细胞分散成单个细胞培养?该过程能否用胃蛋白酶代替胰蛋白酶？ 3.在用胶原蛋白酶或胰蛋白酶处理动物组织块和处理贴壁细胞时一定要控制好处理时间，原因是什么？ 4.动物细胞培养过程中为什么要定期分瓶处理？ 5.请在上图基础上结合上述问题答案构建动物细胞培养流程图。 教师结合学生小组展示交流的基础上总结完善相关问题答案： 1.细胞的增殖能力与供体的年龄有关，幼龄动物的细胞增殖能力强，有丝分裂旺盛，老龄动物的细胞则相反。同样，分化程度越低的细胞，增殖能力越强。所以，一般来说，选取幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更容易培养。 2在从动物体取出的成块组织块中，细胞与细胞靠在一起，彼此限制了生长和增殖。因此，在进行细胞培养时，首先要将动物组织块分散成单个细胞。由于动物细胞培养的最适pH为7.2~7.4，在该pH范围内胃蛋白酶没有活性，而胰蛋白酶的活性较高，所以不能用胃蛋白酶代替胰蛋白酶来处理动物组织。 3.动物组织间隙和细胞膜上均存在大量蛋白质，因此用胶原蛋白酶或胰蛋白酶处理动物组织块和处理贴壁细胞时，一定要控制好处理时间，防止时间过长酶破坏细胞膜，导致细胞死亡。 4.体外培养的动物细胞根据在培养液中的生长增殖状态可以分为两大类：少数种类细胞能够悬浮在培养液中生长增殖，该类细胞随着培养时间的延长，会因细胞密度过大、培养液中营养物质缺乏和有害代谢物积累等因素而分裂受阻；大多数细胞则需要贴附于某些基质表面才能生长增殖，在培养瓶中培养时往往贴附在培养瓶的瓶壁上生长增殖，称为细胞贴壁。贴壁细胞在生长增殖到表面相互接触时，细胞通常会停止分裂增殖，该现象称为接触抑制。因此两类细胞在培养到一定程度时就需要对细胞进行分瓶培养，让细胞继续增殖。 5.见下图 【过渡】：PPT呈现动物细胞培养在生产干扰素、疫苗等生物大分子药物，生物生理、病理、药理研究，抗体制备，动物体细胞核移植，干细胞培养等领域的应用，引导学生理解动物细胞培养是动物细胞工程的基础。同时，解读干细胞具有分化成其他种类细胞的功能，因此干细胞的成功培养成为了动物细胞培养领域的重大成就，也吸引了众多科学家投入到相关研究中。 供参考：动物细胞培养的两种方式：悬浮培养（细胞不依赖基质，可自由生长）和贴壁培养（细胞必须附着基质表面） 建议：在课堂上展示两种培养方式的显微图片，帮助学生直观理解。 (设计意图：通过结合动物细胞培养过程，设计相关问题，引导学生在熟悉动物细胞培养流程的基础上，思考某些特定操作的目的和意义，最终利用思维导图的形式引导学生将相关知识归纳整理。) 评价设计： 评价标准 成员1 成员2 成员3 成员4 成员5 A等8-10分：问题回答流畅，生物学语言运用准确，构建的流程图逻辑清晰，布局合理、美观。 B等6-8分：问题回答基本流畅，生物学语言运用错误不超过两处，构建的流程图无逻辑错误，布局基本合理。 C等3-6分：问题回答错误不超过三处，构建的流程图基本完整，逻辑错误不超过两处。 D等0-3分：问题回答错误超过三处，构建的流程图错误超过两处。 探究三、分析干细胞培养及其应用前景 PPT展示资料：在治疗大面积烧伤病人时，通常取患者自身皮肤的成纤维细胞或皮肤干细胞，在体外培养。 提问：什么叫干细胞？它有哪些类型呢？ 引导学生简要回顾必修教材中干细胞相关知识。然后展示问题，让学生带问题阅读教材第46~47页“干细胞培养及应用”部分，思考并回答问题： 1.什么是干细胞？它有哪些类型？这些类型的干细胞各有怎样的特点和哪些方面的应用？ 2.科学家是怎样获得iPS细胞的？这种细胞与胚胎干细胞相比，有哪些应用优势？ 3.干细胞应用于临床治疗可能存在什么问题？ 教师结合学生回答情况进行总结： 1.干细胞概念：动物和人体内保留的具有分裂和分化能力的细胞；干细胞类型：包括胚胎干细胞和成体干细胞等 (1)胚胎干细胞 分布：存在于早期胚胎中 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。 局限性：必须从胚胎中获取，涉及伦理问题；因而限制了其在医学上的应用。 (2)成体干细胞 分布：存在于成体组织或器官内。 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。 应用优势：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、再生和修复等密切相关。 (3)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：定向诱导分化为多种体细胞，可治疗镰状细胞贫血症等在治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展。 2.诱导多能干细胞（iPS细胞）是科学家们通过体外诱导成体已分化的小鼠成纤维细胞，使其失去分化状态，形成的类似于胚胎干细胞的一种细胞。iPS细胞诱导过程无须破坏胚胎，而且来自病人自身的体细胞，理论上可以避免免疫排斥反应。 3.有肿瘤发生的风险 (设计意图：通过让学生结合问题深度阅读分析课本内容，加深学生对自干细胞机器培养相关知识理解，从而将学生学到的基础知识运用到现实情境中。) 供参考 ：增加“干细胞治疗的风险分析”任务，让学生在讨论后完成以下表格 评价设计：请同学们利用干细胞培养相关知识解决学案中【拓展应用】的问题。并结合同学们的回答情况予以评价。 课堂小结 教师结合板书内容总结讲述：通过本节课的学习，我们认识到了动物细胞培养是现代生物技术的重要组成部分，为科学研究和医学应用提供了重要工具。通过学习，我们掌握了动物细胞培养的基本原理、操作步骤及其应用领域，同时也认识到其局限性。未来，随着技术的进步，动物细胞培养将在更多领域发挥重要作用。最后，随着学习的进一步深入，希望同学们能够更深入的理解动物细胞培养的重要性，并对其在科学研究和实际应用中的价值有更深入的认识。 布置作业 完成课后练习（30分钟）。 教学反思 本节内容难度虽然不大但容量偏大，通过优化设计探究流程，有效调动了学生学习的积极性和主动性，课堂气氛十分活跃。主要表现在以下几个环节：第一，动物细胞培养的条件，学生已经具备了内环境及其稳态的有关知识，将动物细胞体外培养有效与体内生长增殖环境相比较，充分激发了学生学习热情，同学们都能够提出自己的见解并相互补充和评价，有助于理解动物细胞培养条件。第二，动物细胞培养流程的构建过程，通过先构建基本流程，后问题引导深度思考讨论的流程设计，有效解决了学生模型构建过程容易遗漏的问题。第三，关于干细胞的培养和应用，通过精心设计问题，让学生结合自身社会经历，带问题自主学习解决问题，深化了理解；同时联系实际提出干细胞培养及应用的建议，让学生学会珍爱生命。 但由于不同类型学校学生的学情不同，本节课课堂容量又偏大，因此教师在教学上要结合学生情况对时间作宏观调控，才能确保每个教学环节都有足够的时间来达成目标。 板书设计 备课资源 1.胚胎干细胞的培养与鉴定 胚胎干细胞（embryonic stem cell）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（如胎牛血清、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、白病制因子等）。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，遮光性强。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。 2.诱导多能干细胞的鉴定 诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell）简称iPS细胞。由于iPS细胞是一种类似ES细胞的细胞，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。目前鉴定iPS细胞的指标有很多，一些指标用来判断它与ES细胞是一样的状态，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鉴定。ES细胞表面的某些特异性抗原标记以及高碱性磷酸酶活性，iPS细胞也是具有的，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的启动子分析；还可以对它们进行体外分化能力的鉴定等。 3.干细胞研究中面临的问题 干细胞具有强大的自我更新能力和多种分化潜能，所以它成为用细胞疗法或基因疗法治疗各类疾病时首选的靶细胞。随着干细胞分离、提纯技术的不断发展，干细胞在组织修复和再生医学领域的应用获得突破性进展，它有望在临床治疗中发挥重要作用。除此之外，干细胞在药物研发、分子影像示踪研究等领域也具有重要应用前景。尽管这样，在干细胞的研究中，还存在很多值得探索和研究的问题。 首先是基础理论研究和技术方面的问题。例如，人们对维持干细胞未分化状态的机制和干细胞定向诱导分化的调控机制还没有全部研究清楚，只在少数物种中建立了稳定的ES细胞系，对建立家畜、人类ES细胞系所需的最佳条件还未达成一致意见；科研人员还需要继续探索如何提高诱导ES细胞定向分化为人类所需要细胞的成功率。另外，虽然人类ES细胞在培养条件下可以形成多种类型的细胞和组织，但距离形成复杂的器官还很遥远，特别是大型的、有功能的人体器官，免疫排斥问题也有待解决。 其次是安全性方面的问题。ES细胞具有自我更新能力，所以在使用时有形成肿瘤的可能性。这也是人们一直担心的问题，在使用ES细胞进行治疗前必须解决这一问题。有人提议，可以把 ES细胞诱导分化为功能细胞或者某种细胞的前体细胞后再移植到体内；也可以设计自杀基因，当移植的细胞向肿瘤细胞方向发展时，让自杀基因发挥作用使细胞凋亡。 再次是伦理方面的问题。目前普遍认为，发育不超过14d的胚胎是无知觉的细胞团，不构成独立的社会道德主体，不具有与人同等的价值，对其研究并不侵犯人的尊严，也不是“毁灭生命”，但用于研究的胚胎最终会被遗弃，所以在这方面的研究还是引发了一些伦理道德争议。如何在对于细胞进行操作的各个阶段，充分维护其尊严；如何确保干细胞提供者的自由权与知情权以及进行精确的利益评估；如何防止用欺诈、诱导、胁迫或其他不正当手段招募受试者；如何保证受试者在研究的任何阶段可以退出研究且不会受到不公平对待，同时又能保证研究者的利益等，这些都是需要我们认真探讨的问题。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$