内容正文:
人教版选择性必修3
第3章 细胞工程
第2节 动物细胞工程
一 动物细胞培养
南京“黑科技”人造猪肉
目录
生命观念
1.运用稳态与平衡观,分析动物细胞培养的条件。
科学思维
1.归纳与概括、演绎与推理等方法,用文字和图示说明动物细胞培养的过程。
社会责任
1.对干细胞培养用于人类疾病治疗等社会热点问题进行科学评价
素 养 目 标
情境导入 南京“黑科技”人造猪肉
1.培养动物细胞需要控制好哪些条件?
2.动物细胞培养过程中细胞发生哪些变化?
阅读课本43页第1-2段,思考回答下列问题:
1.动物细胞工程常用的技术有哪些?
2.动物细胞培养的概念、原理和地位是什么?
情境串讲 动物细胞工程
那么,动物细胞培养需要哪些必要条件呢?培养的过程又是怎样的呢?
动物细胞培养
动物细胞核移植
动物细胞融合
动物细胞工程技术包括:
是最基础的技术
情境串讲 动物细胞工程
1. 概念:
2. 原理:
3. 地位:
动物细胞工程的基础
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。
细胞分裂(增殖)
4. 目的:
获得细胞或细胞产物;不能获得完整动物个体
情境串讲 动物细胞工程
动物细胞培养
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。
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
阅读课本43页第3-4段、44页1-4段和图2-9,结合选择性必修一所学内容思考以下问题:
1.机体给体内的细胞提供了哪些适宜的条件使其能够维持正常的生命活动?
2.动物细胞培养实际上是在体外模拟体内的生理条件进行的培养,你认为体外培养动物细胞需要满足哪些条件?并对每种条件进行详细分析。
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
1.机体给体内的细胞提供了哪些适宜的条件使其能够维持正常的生命活动?
提供了两个方面的条件:
营养条件:如糖类、氨基酸、无机盐等;
环境条件:如温度、pH、渗透压等。
充足的营养、稳定的内环境
动物细胞培养所需的基本条件
营养
条件
其他
条件
①糖类、
②氨基酸、
③无机盐、
④维生素……
无菌、无毒的环境
适宜的温度、pH和渗透压
适宜的气体环境
2.动物细胞培养实际上是在体外模拟体内的生理条件进行的培养,你认为体外培养动物细胞需要满足哪些条件?并对每种条件进行详细分析。
(1)培养基的构成:
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
合成培养基 + 血清等天然成分
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。
合成培养基
血清(天然培养基)
含人类未知、细胞生长增殖所必需的物质,满足细胞对未知营养成分的需求。
一般用液体培养基,也称为培养液
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
(2)无菌、无毒的环境:
无菌
①对培养液和所有培养用具进行灭菌处理
②在无菌环境下进行操作
无毒
定期更换培养液,以便清除代谢物
③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
思考:定期更换培养液的目的是什么?
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
(3)适宜的温度、pH和渗透压:
维持适宜渗透压的目的______________________
哺乳动物细胞培养的温度多以_ __________为宜;
多数动物细胞生存的适宜pH为________
36.5±0.5℃
7.2-7.4
维持细胞正常的形态和功能
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
(4)气体环境
动物细胞培养所需气体主要有_____和______
用培养皿或松盖培养瓶,
在含有 __ ___和_____ _的混合气体的_____________
O2
CO2
细胞代谢所必需的
维持培养液的pH
95%空气
5%CO2
CO2培养箱
①气体组成
思考:不同气体的作用是什么?
②培养仪器
(95%)O2:
(5%)CO2:
1.某兴趣小组开展小鼠原代神经元培养的研究,结果发现其培养的原代神经元生长缓慢,其原因不可能的是( )
A.实验材料取自小鼠胚胎的脑组织
B.为了防止污染将培养瓶瓶口密封
C.血清经过高温处理后加入培养基
D.所使用的培养基呈弱酸性
即学即练 动物细胞培养的条件
鼠胚胎脑组织中含有丰富的原代神经元,细胞增殖能力强,不会使培养的原代神经元生长缓慢
阅读课本44页第5段和45段第1段,结合图2-12,利用文字和箭头描述动物细胞培养的过程。
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
胰蛋白酶
原代培养
传代培养
动物胚胎或幼龄动物的组织、器官
细胞悬浮液
10代细胞
50代细胞
无限传代
单个细胞
加培养液
根据课本,完成下列问题。
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
1.取什么样的组织?原因?
选动物胚胎或幼龄动物的器官或组织
其细胞生命力旺盛,分化程度低,分裂能力强。
2.为什么要分散成单个细胞?如何分散?
分散成单个细胞便于从培养液中获得营养,排出代谢废物,利于继续培养。
方法:机械法、胰蛋白酶(或胶原蛋白酶)等处理
①说明动物细胞间的物质主要是什么成分?
②用胃蛋白酶可以吗?
③胰蛋白酶不会把细胞消化吗?
蛋白质
不可以,因为胃蛋白酶的最适PH为1.5左右
酶的作用时间过长,也会破坏细胞结构
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
动物组织
分散成单个细胞
机械法、胰蛋白酶、胶原蛋白酶处理
加培养液
细胞悬液
3.为什么要将动物组织块分散成单个细胞,制成细胞悬液?
成块的组织中细胞与细胞靠在一起,彼此限制了细胞生长和增殖。
体外培养动物细胞分为两类
①悬浮生长细胞
细胞能够悬浮在培养液中生长増殖
②贴壁生长细胞
细胞需要贴附于某些基质(如培养瓶壁)表面才能增殖(主要类型)
悬浮生长细胞
贴壁生长细胞(主流)
4.什么是细胞贴壁?什么是接触抑制?
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
①细胞贴壁:
某些细胞需要贴附于某些基质表面才能增殖,这类细胞往往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,细胞停止分裂增殖的现象。
要求:培养瓶或培养皿的内表面光滑、无毒、易于贴附
情境串讲 一、动物细胞培养的条件
细胞贴壁过程
贴壁生长与接触抑制
圆球形细胞刚开始
铺展贴壁生长(100×)
培养的动物细胞贴壁生长
并进行有丝分裂(100×)
细胞单层贴壁生长铺满瓶壁后出现接触抑制(100×)
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
形成一层细胞
可形成多层细胞
肿瘤细胞失去接触抑制,条件适宜在培养液可以无限增殖下去。
细胞悬液
细胞贴壁、接触抑制
癌细胞;癌细胞的细胞膜上糖蛋白等物质减少
动物
组织块
分散成
单个细胞
机械法
胰蛋白酶
胶原蛋白酶处理
加培养液
细胞悬液
原代培养
传代培养
放入培养瓶
在适宜条件中
在适宜条件中
分瓶培养
判断依据:是否分瓶!
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
5.什么是原代培养和传代培养?
①原代培养:指动物组织经处理后的初次培养。
②传代培养:分瓶后的细胞培养。
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
细胞密度过大、有害代谢物积累、营养物质缺乏等
悬浮生长
贴壁生长
(大多数)
接触抑制
悬浮培养的细胞:
贴壁细胞:
②制成细胞悬液,分瓶培养
①收集
细胞
细胞分裂受阻
加培养液
6.为什么要分瓶培养?怎样处理?
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
传代培养操作流程:
直接用离心法收集
用胰蛋白酶处理分散成单个细胞,再用离心法收集
思考:两种“培养”都用到胰蛋白酶处理,对象相同吗?
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
区分两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象。
用胰蛋白酶对剪碎的动物组织进行处理,使其分散成单个细胞后进行培养,为原代培养。
①原代培养:
②传代培养:
细胞培养过程中出现接触抑制,用胰蛋白酶使其从瓶壁上脱离下来,然后,将其分散到多个培养瓶中继续培养,为传代培养。
取动物组织
分散成单个细胞
解决
悬浮生长
贴壁生长
(大多数)
细胞密度过大、有害代谢物积累、营养物质缺乏等
接触抑制
传代培养
用机械法或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理
细胞悬液
原
代
培
养
分瓶
培养
加培养液
在培养皿或培养瓶内
悬浮培养的细胞:直接用离心法收集
贴壁细胞:用胰蛋白酶处理分散成单个细胞,用离心法收集
细胞分裂受阻
②制成细胞悬液,分瓶培养
①收集细胞
归纳总结 动物细胞培养过程
5. 区分原代培养和传代培养的关键是看用胰蛋白酶处理的对象和是否分瓶。分瓶前,第一次用胰蛋白酶对动物组织进行处理后的培养是原代培养;第二次用胰蛋白酶处理,使细胞从瓶壁上脱离下来,分瓶后的细胞培养为传代培养。
2. 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。
3. 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. 细胞在培养过程中会出现细胞贴壁和接触抑制现象。
归纳总结 动物细胞培养过程
思考•讨论
有关动物细胞培养的问题
1.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?
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。所以,一般来说,幼龄动物的细胞比老龄动物的细胞易于培养。同样,分化程度越低的细胞,增殖能力越强,所以更容易培养。
提示:
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
2.动物细胞培养与植物组织培养有什么相同和不同之处?
植物组织培养 动物细胞培养
原理
培养前处理
取材
培养基的物理性质
培养基的成分
植物细胞的全能性
细胞增殖
离体
用机械法或胰蛋白酶、胶原蛋白酶将组织细胞分散开
离体植物器官、组织、细胞
动物胚胎或幼龄动物的组织、器官
固体
液体(又称培养液)
有机营养成分无机营养成分植物激素
糖类、氨基酸、无机盐、维生素等营养物质及一些天然成分如血清
情境串讲 二、动物细胞培养的过程
思考•讨论
有关动物细胞培养的问题
植物组织培养 动物细胞培养
特有成分
特殊环境条件
结果
是否体现细胞的全能性
过程
相同点
再分化需光
气体环境
一般获得新的植株
获得大量细胞
是
否
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。
外植体
脱分化
愈伤组织
再分化
根、芽
幼苗
完整植株
移栽成活
取动物组织
制成细胞悬液
转入培养液进行原代培养
分瓶
进行传代培养
植物激素
血清
1.下图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。下列叙述正确的是( )
A.步骤①的操作不需要在无菌环境中进行
B.步骤②中用盐酸溶解细胞间物质使细胞分离C.步骤③到④的分瓶操作前常用胰蛋白酶处理D.步骤④培养过程中不会发生细胞转化
即学即练 动物细胞培养的过程
步骤①的操作需要在无菌环境中进行
用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等将动物组织分散成单个细胞,制成细胞悬液
该过程中部分细胞可能发生细胞转化
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
即学即练 动物细胞培养的过程
2.(2024·黑吉辽选择考)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( )
培养皿不能密封
选取②的细胞进行传代培养比①更合理
需用胰蛋白酶等处理后再用离心法收集细胞进行传代培养
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
阅读课本46页-47页内容,思考并回答下列问题:
1.什么是干细胞?它有哪些类型?并进行详细分析。
2.结合图2-14明确诱导多能干细胞的概念、诱导产生途径及其应用;对两种干细胞进行比较,完成下表。
细胞类型 胚胎干细胞(ES细胞) 成体干细胞
造血干细胞 神经干细胞 精原干细胞
来源
作用
特异性
应用
(3)分布:
(4)分类:
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。
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。
(2)特点:
体积较小,细胞核大,核仁明显。
(1)概念:
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
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
1.阅读课本46页第1-3段,明确干细胞的分类,并进行详细分析。
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。
胚胎干细胞
分布
特点
应用实例
在体外分化成心肌细胞、
神经元细胞和造血干细胞等
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。
局限性
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
1.阅读课本46页第1-3段,明确干细胞的分类,并进行详细分析。
成体组织或器官内
造血干细胞(骨髓、外周血和脐带血中)
神经干细胞(神经系统中)
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,不具有发育成完整个体的能力
成体干细胞
分布
举例
特点
应用实例
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)
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
造血干细胞
神经干细胞
治疗细胞损伤造成的疾病
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
1.阅读课本46页第1-3段,明确干细胞的分类,并进行详细分析。
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。
可治疗镰状细胞贫血症;
在治疗阿尔兹海默病、心血管疾病等的研究也取得新进展
因此,普遍认为iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞
诱导小鼠成纤维细胞得到的类似胚胎干细胞的一种细胞
①将特定基因或特定蛋白导入细胞
(成纤维细胞、已分化的T细胞、B细胞)
诱导多能干细胞
概念
制备方法
应用
优点
②用小分子化合物诱导形成。
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
1.阅读课本46页第1-3段,明确干细胞的分类,并进行详细分析。
取成纤维细胞
转入相关因子
细胞转化为iPS细胞
诱导iPS细胞定向分化为多种组织细胞
移植回病人体内
移植
取成纤维细胞等
iPS细胞
转入相关因子
细胞发生转化
分化
胰岛细胞
神经元
血细胞
肠上皮细胞
心肌细胞
肝细胞
病人
iPS细胞用于治疗人类疾病示意图
诱导iPS细胞及其应用
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
iPS细胞用于治疗人类疾病示意图及视频
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
情境串讲 三、干细胞培养及其应用
1.阅读课本46页第1-3段,明确干细胞的分类,并进行详细分析。
细胞类型 胚胎干细胞(ES细胞) 成体干细胞
造血干细胞 神经干细胞 精原干细胞
来源 早期胚胎 骨髓、外周血和脐带血 神经系统 睾丸
作用 分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞,具有进一步形成机体、所有组织和器官甚至个体的潜能 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
特异性 不具有组织特异性 具有组织特异性
应用 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、再生和修复等密切相关,因而在医学上有着广泛的应用 将正常的造血干细胞移到病人体内,恢复病人的造血和免疫功能,已成为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的一种重要手段 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
例1.下列关于发酵与传统发酵技术的叙述,正确的是( )
A.发酵过程中有机物的干重和种类均减少
B.传统发酵技术都是直接利用天然原料中的微生物
C.传统发酵以混合菌种的固体发酵及液体发酵为主
D.发酵是将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程
D
微生物代谢会消耗有机物,导致有机物的干重减少,但会有中间物质产生,有机物种类会增加
传统发酵技术是指直接利用原材料中天然存在的微生物,或利用前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术
传统发酵以混合菌种的固体发酵和半固体发酵为主
即学即练 发酵与传统发酵技术
2.干细胞的成功培养是动物细胞培养领域的重大成就之一,干细胞有着广泛的应用前景。下列关于干细胞的叙述,正确的是( )
A.干细胞存在于早期胚胎、脊髓和脐带血等多种组织和器官中
B.不同类型的干细胞,它们的分裂和分化潜能基本是相同的
C.可以用成纤维细胞、B细胞、T细胞等细胞来制备iPS细胞
D.由于科学技术飞速进步,干细胞在临床治疗方面已不存在任何问题
还面临一些问题,如存在导致肿瘤发生的风险
即学即练 胚胎干细胞的培养及应用
骨髓
它们的分化潜能是有差别的
3.2006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(iPS细胞),iPS细胞增殖分化后可形成多种组织细胞,以用于多种疾病的治疗。下图为相关实验示意图,下列说法错误的是( )
即学即练 胚胎干细胞的培养及应用
A.选取的小鼠成纤维组织需经胰蛋白酶或胶原蛋白酶等处理成单个细胞后制成细胞悬液
B.体外培养小鼠成纤维细胞和iPS细胞时,定期更换培养液可防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害
C.图中神经细胞、肝细胞和心肌细胞中的核基因和蛋白质与iPS细胞相同
D.若iPS细胞取自患者的体细胞,将其移植回患者体内后,理论上可避免免疫排斥反应
由于基因的选择性表达,三者所含蛋白质不完全相同
动物细胞培养
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
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
取动物组织
单个细胞
细胞悬液
原代培养
传代培养
干细胞培养及其应用
干细胞的分布
干细胞的类型
干细胞的应用
胚胎干细胞( ES细胞)
成体干细胞
早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中
主要应用在医学上
课堂小结 动物细胞培养
1.下列关于动物细胞培养所需要的条件的叙述,正确的是( )
A.为了创造无菌、无毒的环境,培养基中通常添加一定量的血清
B.动物细胞培养所需营养物质和植物组织培养的相同
C.动物细胞培养的适宜温度一般与动物的体温相近
D.动物细胞培养的适宜pH为酸性条件
课堂练习 能力提升
2.下列关于动物细胞培养条件的叙述,错误的是( )。
A.体外培养动物细胞时,培养环境必须保证无菌、无毒
B.在使用合成培养基时,通常还需要加入血清等天然成分
C.细胞培养液需要定时更换,以便清除其中的代谢废物
D.可使用培养皿或松盖培养瓶在 <m></m> 和纯氧条件下培养
课堂练习 能力提升
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 主要防止动物细胞在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 氧气 满足细胞代谢的需要
D 二氧化碳 维持培养液的酸碱度
课堂练习 能力提升
4.下列关于动物细胞培养过程的叙述,正确的是( )。
A.取新鲜动物组织后可用机械方法或酶处理,制成细胞悬液
B.可悬浮培养的动物细胞也会出现接触抑制,导致分裂受阻
C.分化程度高的动物细胞一般较分化程度低的细胞更容易培养
D.传代培养的过程中动物细胞可经历脱分化从而形成愈伤组织
课堂练习 能力提升
5.如图所示为动物细胞培养的基本过程,下列关于甲、乙、丙、丁四个操作过程的叙述,正确的是( )
A.甲过程可选取动物个体的任何组织细胞
B.乙过程可用纤维素酶和果胶酶处理细胞
C.丙过程所用培养液中需添加动物血清
D.丁过程中的细胞因接触抑制而大量死亡
课堂练习 能力提升
6.下图为科学家在实验室中培养“人造牛肉”的简要过程。相关叙述正确的是( )
A.用胃蛋白酶处理牛肌肉组织,获得分裂能力强的肌肉干细胞
B.生物反应器中应充以95%空气加5%CO2的混合气体,CO2的作用是刺激细胞呼吸
C.培养液中的支架提供了更多的细胞吸附面积,有利于细胞贴壁生长
D.“人造牛肉”的培养有利于牛肉的工厂化生产,但环境污染严重
课堂练习 能力提升
7.如图2-2-3是胚胎干细胞潜能示意图,相关叙述错误的是 ( )
A.由细胞形态判断,4种细胞中细胞②最可能连续分裂
B.胚胎干细胞能分化为各种细胞的实质是遗传物质相同
C.分化得到的各种细胞,功能不同的主要差异是特定蛋白不同
D.定向诱导胚胎干细胞分化形成组织或器官,进行自体移植可避免免疫排斥
图2-2-3
课堂练习 能力提升
8.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
B.在培养干细胞时需通入O2,不需通入CO2
C.干细胞具有免疫力,不需要在无菌环境中培养
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 能力提升
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Lavf58.51.100
Lavf58.51.100
$太离谱了,可能以后我们吃的猪肉,你根本没见过猪跑。在南京国家农高区,国内规模最大的细胞培养肉中试工厂正式投用,并且已经实现培养猪肉的规模化生产。他们完成了2000升生物反应器内细胞培养猪肉生产,这意味着中国细胞培养肉真正走出实验室。这不是植物人造肉,而是从健康体内提取少量干细胞,在无菌环境中用营养液喂养,让细胞自然生长成肌肉。现在这家工厂每月可产100到500公斤,未来年产有望达到10到50吨。相比传统养猪,温室气体排放降低78%到96%,土地节约99%,用水减少80%以上,未来的猪肉可能来自实验室,而不是猪圈。那么问题来了,你敢吃这样的人造肉嗎?这里很科学,用一分钟让复杂的知识变得简单,每天带你涨知识。