2.2 动物细胞工程（5课时）教学设计-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

课题名称 2.2 动物细胞工程（5课时） 课堂类型： R新课 □复习课 □习题课 □实验课 □试卷讲评课 □其他： 学习者 分析 本节内容的授课对象为高二年级的学生，在学习本节内容之前，学生已经学过了植物细胞培养技术、植物体细胞杂交技术以及植物细胞工程的应用等知识，与本节内容有相似之处，从而有助于学生的理解与掌握。学生已经在选择性必修一中学习过内环境的知识，形成了一定的稳态与平衡观、生物的物质观，有助于学习动物细胞培养的条件。从发展心理学角度，这个年龄段的学生处于经验性思维向理论性思维转换的关键时期，也有利于学习动物细胞培养的过程。 教学目标 课标中的内容要求为：重要概念4.2动物细胞工程包括细胞培养、核移植、细胞融合和干细胞的应用等技术。次位概念如下： 4.2.1阐明动物细胞培养是从动物体获取相关组织，分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养是动物细胞工程的基础； 4.2.2阐明动物细胞核移植一般是将体细胞核移入一个去核的卵母细胞中，并使重组细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的过程； 4.2.3 阐明动物细胞融合是指通过物理、化学或生物等手段，使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程； 4.2.4概述细胞融合技术是单克隆抗体制备的重要技术； 4.2.5简述干细胞在生物医学工程中具有广泛的应用价值。 结合课标和教材内容确定本节教学目标如下： 1、 阐明动物细胞培养的条件和过程 2、 简述干细胞在生物医学工程上具有广泛的应用价值 3、 阐明利用动物细胞融合技术制备单克隆抗体的过程，认同单克隆抗体在临床上有重要的应用价值 4、 阐明利用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程和该技术的应用前景 教学重点 1、 动物细胞培养的条件和过程； 2、 干细胞在生物医学工程中的应用； 3、 单克隆抗体的制备和应用； 4、 用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。 落实教学重点的方法： 视频和问题引导，强化学生对动物细胞培养条件和过程、干细胞应用和单克隆抗体制备、应用以及动物体细胞核移植技术克隆动物的过程的理解 教学难点 1、 单克隆抗体的制备过程； 2、 用动物体细胞核移植技术克隆动物的过程。 突破教学难点的方法： 视频导入，引发学生兴趣，了解名词及其制备 教学资源 选择 教师用书、教材、题单、天天练 技术手段的使用： 电子白板、板书、多媒体 课时： 5课时 核心问题 2.2.1 动物细胞培养 1、动物细胞培养需要哪些基本条件？动物细胞培养的基本操作过程是什么？ 2、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？ 2.2.1 动物细胞培养（2课时） 教学过程设计 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 大面积烧伤的病人需要移植健康皮肤，用什么手段可以快速获得大量健康的移植皮肤？ 在上节内容中我们学习了植物细胞工程，先来回顾细胞工程的含义，细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。其中植物细胞工程的学习中我们从基本技术及其应用两大方面进行了学习，植物组织培养和植物体细胞杂交技术是植物细胞工程的基本技术，运用这两项技术我们找到了繁殖植物的新途径，如快速繁殖和作物脱毒；还通过植物组织培养的相关应用攻克了培育作物新品种的方式，如单倍体育种和突变体的应用；除此以外，对于人类应用来说，大部分植物的一些次生代谢产物如紫杉醇、紫草宁以及人参皂苷等有重要作用，而次生代谢产物有着应用多但是含量少难以合成的特点，因此我们应用植物细胞培养技术来获取大量植物细胞，最后从这些植物细胞中提取我们需要的次生代谢物。 细胞工程的两大技术除了植物细胞工程，还有动物细胞工程，动物细胞工程主要包括动物细胞培养、动物细胞融合与单克隆抗体和动物细胞核移植技术与克隆动物三大技术。其中动物细胞培养是动物细胞工程的基础，植物组织培养是植物细胞工程的基础。 我们都知道如果是小面积烧伤可以通过植皮(自身)后恢复，但如果是大面积烧伤呢？就面临着自身健康皮肤有限的问题，如果移植外源皮肤又有来源不足以及产生免疫排斥的问题，那么，怎样才能获得大量的自体健康皮肤？能不能通过用自体皮肤的单个细胞培养出可供移植的皮肤呢？这也是当时科学家们的思考。当然目前也已经被攻克，我们通过一则新闻一起了解一下。 人造皮肤的构建离不开动物细胞培养。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，然后在适当的培养条件下，让这些细胞生长和增殖的技术。 从概念中我们可以知道动物细胞培养的目的是获得细胞；不能获得完整动物个体。因此该技术的原理是细胞增殖（有丝分裂）。这和植物细胞培养的目的以及原理是类似的吧。 那么，动物细胞的培养需要哪些条件呢？ 回顾旧知，夯实基本知识和基本概念的认知。 以真实情境导入，让学生认识动物细胞培养技术与生活的联系。激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。 借助视频资源中的讲解，帮助学生形成科学概念。 从概念中分析动物细胞培养的目的和原理，与植物细胞培养联系。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 动物细胞培养需要哪些必要的条件呢？ 体外培养细胞其实就是在模拟体内的环境，那么你觉得体内细胞能维持正常的生命活动，且有的细胞还能够不断增殖，原因是什么？——因为机体给这些细胞提供了适宜的条件，比如充足的营养、内环境且内环境处于相对稳定状态等等，因此在体外培养动物细胞就需要满足类似的这些条件。一般来说，动物细胞培养需要满足以下条件： 我们逐一进行分析： （1） 营养 如果是在体外培养动物细胞，那么同样也需要配制培养基。我们将细胞所需的营养物质按照种类和所需量严格配制而成的培养基称为合成培养基，这与前面微生物的时候介绍的培养基的种类类似，根据成分来进行分类。但是由于人类对于动物细胞所需的营养物质尚未全部研究清除，因此在使用合成培养基的时候，通常需要加入血清等一些天然成分。培养动物细胞一般使用液体培养基，也称为培养液。 为什么对动物细胞进行培养时通常要添加血清？ （1） 血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等； （2） 氨基酸有多种，是细胞合成蛋白质的基本成分，其中有些氨基酸动物细胞本身不能合成（称为必需氨基酸），必须由培养液提供。 （3） 血清激素有胰岛素、生长激素等及多种生长因子；血清还含有多种未知的促细胞生长因子、促贴附因子及其他活性物质，这是细胞生长和增殖所必需的，能促进细胞的生长、增殖和贴附。 （4） 因此，细胞培养时，要保证细胞能够顺利生长和增殖，一般需添加10%～20%的血清。 （2） 无菌、无毒的环境 和植物细胞培养一样的，在体外培养细胞的时候，必须保证环境是无菌、无毒的，无菌的操作可以通过：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来达到，甚至还可以加入适量的抗生素。无毒环境主要通过定期更换培养液来完成，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。【注意：高压蒸汽灭菌会破坏血清中的活性成分，因此先灭菌后加血清】 （3） 温度、PH和渗透压 我们在体外培养动物细胞需要模拟内环境，那么除了模拟内环境的组成成分以及无菌无毒的环境以外，各种理化性质也应当相似，比如温度、PH和渗透压。 （四）气体环境 动物的代谢类型基本都是异养需氧型，因此还需要给这些动物细胞提供氧气，氧气是细胞代谢所需要的，除此以外还需要提供二氧化碳，二氧化碳的目的是维持培养液的PH，通常是将培养皿或松盖培养瓶置于含有95%空气和5%二氧化碳的混合气体的二氧化碳培养箱中进行培养。值得注意的是，我们之前在讲神经调节与体液调节的关系时，曾经提到二氧化碳是一种体液因子参与体液调节，作用是刺激呼吸中枢进而加强呼吸强度，和这里的二氧化碳的作用不一样哦，这里的二氧化碳没有办法刺激呼吸中枢嘛，所以要进行区分。 引导学生利用旧知识探索新知识，促进学生对新知识的理解。 引导学生区分二氧化碳在不同的生理活动中的作用。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 动物细胞培养的过程是怎样的呢？ 根据动物细胞培养的概念，初步构建动物细胞培养的流程： 动物组织→分散成单个细胞→培养 让学生阅读教材内容，思考回答下列问题：【8min，小组讨论完成】 （1）培养前，为什么要将动物组织分散成单个细胞？ （2）怎样将动物组织分散成单个细胞？ （3）分散成的单个细胞，如何培养？ （4）培养一段时间后，细胞分裂会受阻，为什么？怎么解决？ （5）什么是原代培养和传代培养？ （6）进行传代培养（分瓶培养）时，如何处理？ 我们先来快速看一下整个动物细胞的培养过程：取动物组织制成细胞悬液转入培养液中进行原代培养，放在二氧化碳培养箱中，一段时间后再进行传代培养。 接下来具体分析每一步。 （1）培养前，为什么要将动物组织分散成单个细胞？ ——①分散不会限制彼此的生长和增殖； ②利于从培养液中获得营养，排出代谢废物，利于继续培养。（分散后易培养，细胞所需要营养物质易供应，代谢废物易排出，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，还使在细胞水平上操作的技术易实现） （2）怎样将动物组织分散成单个细胞？ 机械的方法或用胰蛋白酶、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2左右，而刚刚我们才讲动物细胞培养的适宜PH大多为7.2-7.4。 ③胰蛋白酶处理时间过长，会怎样？——会破坏细胞结构，把细胞消化掉。【提醒：细胞膜的成分中含有蛋白质，而胰蛋白酶能够水解蛋白质，因此，胰蛋白酶会把细胞消化掉。因此，胰蛋白酶处理的时间不能太长。 】 （3）分散成的单个细胞，如何培养？ ——用培养液将细胞制成细胞悬液，放入培养皿或培养瓶内，置于适宜环境中培养。 ★体外培养动物细胞分为两类: ①悬浮生长细胞，如：淋巴细胞、大部分血液系统来源细胞 细胞能够悬浮在培养液中生长増殖; ②贴壁生长细胞（主要类型） 细胞需要贴附于某些基质表面才能生长增殖 接触抑制使得贴壁生长的细胞只有一层，但是肿瘤细胞有好几层，展示图片。因为接触抑制主要是靠细胞表面的糖蛋白有黏着性，癌细胞表面的糖蛋白减少，黏着性降低，所以几乎不存在接触抑制现象，所以癌细胞在适宜条件下是可以无限增殖的。 【接触抑制现象是一种重要的防止体内细胞无序增生的机制，细胞增殖到一定程度，也就是相互挨在一起的时候，糖蛋白识别到这种信息后会使细胞停止继续增殖，也就是接触抑制】 【拓展】 细胞培养有两种基本方式，一种是人工基质上的单层细胞（贴壁培养），另一种是在培养基中自由漂浮（ 悬浮培养）。 来自脊椎动物的大多数细胞，除了造血细胞系和少数其他细胞系，都是贴壁依赖性的，必须在经过专门处理以允许细胞粘附和扩散的合适基质上培养。然而，许多细胞系也适用于悬浮培养。同样，大多数昆虫细胞系在贴壁培养或悬浮培养中生长良好。 悬浮培养的细胞可以保存在未经组织培养处理的培养瓶中，但随着培养体积与表面积的增加，充分的气体交换会受到阻碍，培养基需要搅拌。这种搅拌通常通过磁力搅拌器或振荡的锥形瓶瓶来实现。 （4）培养一段时间后，细胞分裂会受阻，为什么？怎么解决？ 可以通过分瓶培养进行解决。【贴壁细胞对培养瓶的要求：（培养瓶（皿）内表面光滑、无毒、易于贴附）】 （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。 （6）进行传代培养（分瓶培养）时，如何处理？ 指导学生在分析、回答问题的基础上完善流程。 教师播放视频了解大致流程。 【视频拓展：移植皮肤大多是表皮+真皮层一起移植。1、只移植表皮：人工皮、烧伤创面覆盖，因为没有血管和淋巴管，免疫细胞很难直接进去，所以免疫排斥较轻一些。2、表皮+真皮：大面积烧伤，皮肤缺损修复。3、全层皮肤移植：最接近正常皮肤，多用于面部、关节等功能部位】 让学生分析、回答教材 “思考•讨论”栏目中的问题。 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。 2、 1、在进行动物细胞培养时，需要（ D ） A、用胶原蛋白酶、胃蛋白酶等处理以获得细胞悬液 B、充入5%CO2以刺激细胞正常呼吸 C、加入经高压蒸汽灭菌处理的血清以提供营养 D、定期更换培养液以清除代谢物 2、下列关于动物细胞培养叙述错误的是(   D ) A．选用的材料一般是幼龄动物的器官或组织，原因是其细胞分裂能力强 B．动物细胞培养和植物细胞培养可获得大量细胞，原理均为细胞增殖 C．通常将动物组织经处理后在培养瓶中的初次培养称为原代培养 D．培养瓶中的细胞都需要定期用胰蛋白酶处理，分瓶后才能继续培养 通过问题驱动学生以小组为单位阅读教材并从中获取相关信息，培养学生的合作学习能力以及信息获取能力。 让学生自主凝凝、完善流程，并进一步分析相关 问题的过程, 对知识 内容的理解不断深化的过程，也是思维不断提升的过程。 通过列表比较植物组织培养与动物细胞培养的异同，加深学生的分析能力、总结能力。 即时训练即时评价。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 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？ 随着动物细胞培养技术的成熟，很多生命科学领域的成就也开始走入人类生活中，比如干细胞的培养成功。干细胞的应用前景吸引着众多科学家投入到相关研究中，为什么这样说呢？我们可以结合我国的研究成果《干细胞技术带来延长生命的可能》这一视频理解。 关于干细胞的相关内容，请大家结合以下问题阅读教材： 1、 什么是干细胞？它有哪些类型？这些类型各有怎样的特点和哪些方面的应用？ 2、 科学家是怎样获得诱导多能干细胞（iPS细胞）的？这种细胞与胚胎干细胞相比，有哪些应用优势？ 3、 干细胞用于临床治疗可能存在什么问题？ 4、 你如何看待干细胞在临床上的应用所产生的效益与风险？ 关于干细胞的内容我们在必修一也学过，指的是动物和人体内保留的具有分裂和分化能力的细胞。在一定的条件下，干细胞可以分化成其他类型的细胞。干细胞来源于早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。其分类有两种主要的分类标准： （1） 胚胎干细胞 （2） 成体干细胞 有着自我更新能力以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作用。 （3） 诱导多能干细胞 干细胞的研究正在如火如荼地开展。虽然将干细胞用于临床治疗还面临一些问题，如存在导致肿瘤发生的风险，但是我们相信，随着理论和技术的不断完善，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较大作用。 学生观看视频，感受干细胞具有广阔的应用前景。 介绍我国科学家的研究成果， 可以增强学生的民族自 豪感和自信心。对相关问题的探讨可以让学生理性地看待并合理运用生物技术， 增强社会责任意识。 课堂 总结 2.2.2 动物细胞融合技术与单克隆抗体（2课时） 教学过程设计 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 回顾旧知，导入新课 通过上节课的学习，我们知道动物细胞培养是动物细胞工程的基础，其中动物细胞培养的流程是取动物细胞组织块，一般选取幼龄动物或者胚胎中的组织，用机械法或者胰蛋白酶和胶原蛋白酶处理将其分散成单个细胞，加入培养液中成为细胞悬液，进行原代培养，原代培养分为两种类型：悬浮生长细胞和贴壁生长细胞，在原代培养中由于细胞密度过大，营养物质缺乏以及代谢废物积累等问题导致细胞分裂受阻，其中贴壁生长类细胞还存在接触抑制的现象加速了细胞分裂受阻这一问题。解决这一问题的方法就是通过分瓶进行传代培养，如果是悬浮生长类细胞直接离心法收集，贴壁生长类细胞则先胰蛋白酶分散再用离心法收集，收集到的细胞再加入新的培养液进行培养。动物细胞培养带来最典型的应用就是干细胞培养的成功，包括胚胎干细胞、成体干细胞和诱导多能干细胞。 随着动物细胞培养技术的成熟，人类开始着眼于其他的一些应用。比如我们知道运用植物体细胞杂交技术，可以跨越不同植物之间生殖隔离的障碍，培育出新的作物类型。那么，能不能让动物细胞也实现杂交培育出具有不同细胞优势的杂交细胞呢？ 其实不同动物的杂交我们在必修一也提到过，也就是用人鼠细胞进行融合的实验，该实验证明了细胞膜具有一定的流动性。同时也得出了不同的动物细胞也是可以实现融合的，那么动物细胞融合和植物体细胞杂交技术有什么异同呢？ 回顾旧知，加深学生对动物细胞培养的知识点的理解和掌握。 结合植物体细胞杂交的过程类比分析科学家是如何提出新的问题的，体会科学家科研过程中发现问题的来源和思路。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 什么是动物细胞融合技术？ 1、 概念：动物细胞融合技术指的是使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术。 2、 动物细胞融合的原理和植物原生质体融合的原理相似，都是细胞膜具有一定的流动性。 3、 在前面学习植物原生质体的融合的时候，有哪些方法可以诱导融合？——物理法：电融合法和离心法；化学法：聚乙二醇融合法、高Ca+—高pH融合法。那诱导动物细胞融合的方法有哪些？——电融合法、聚乙二醇法和灭活病毒诱导法，由此可见该方法是动物细胞融合所特有的。 灭活：指用物理或化学手段使病毒失去感染能力（不感染细胞），但是并不破坏病毒的抗原结构（诱导细胞融合）。病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜上的糖蛋白发生作用，使细胞互相凝聚，细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布，细胞膜打开，细胞发生融合。 教材49页旁栏思考题：19世纪30年代，科学家曾在患肺结核、天花和麻疹等疾病的病人的病理组织中观察到多核细胞。如何解释这一现象？——病人体内的病毒等诱导多个体细胞融合形成了多核细胞。 4、 结果：动物细胞融合以后得到的是一个杂交细胞，这和植物体细胞杂交技术不同，植物体细胞杂交技术最后得到的是完整植株。这个杂交细胞中就具有原来两个或多个细胞中的遗传信息，即就是单核杂交细胞。 5、 你能不能结合植物原生质体融合的过程分析动物细胞融合的流程是怎样的？ 我们前面讲植物体细胞杂交时，首先要用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，动物细胞融合不存在该问题，但是动物细胞融合之前常常需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使得细胞分散开。 这里的融合过程其实和植物原生质体融合差不多，先是膜融合，再是细胞质融合（质融合），最后是核融合，当形成一个细胞核时就意味着形成了杂交细胞。而植物细胞融合成功的标志是形成新的细胞壁。 一般来说获得的杂交细胞还要进行培养得到更多的杂交细胞，这就会涉及到前面的动物细胞培养。 6、意义：和植物体细胞杂交的意义相似，动物细胞融合技术的成功也突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。 7、应用： 该技术目前使得人们可以按照预先的设计使不同细胞融合， 1　 至今，种间、属间、科间，甚至动物和植物之间的细胞融合都已获得成功。 2　 研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和培育生物新品种等的重要手段。 3　 为制造单克隆抗体开辟了新途径。 列表比较植物体细胞杂交和动物细胞融合技术： 以学生已有的知识为基础，尝试利用演绎与推理的方法、模型与建模的方法深刻理解核心概念动物细胞融合及其原理。 完善动物细胞融合技术的流程和细节，加深学生对该技术的理解和掌握，有助于后面学习单克隆抗体的应用。 通过列表比较植物体细胞杂交和动物细胞融合两种技术，加深学生对两种细胞融合技术的理解。培养学生的对比分析能力、综合比较能力。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 什么是单克隆抗体？如何制备的？ 教师播放视频《新冠病毒全人源单克隆抗体获批进入临床试验》。提问学生： 1. 视频中了解到针对新冠肺炎真正的特效药是什么？——针对新冠病毒的单克隆抗体。 2. 这种特效药有着怎样的特点呢？——这种单克隆抗体可以和新冠病毒特异性结合，准确定位、药效强、持续时间久，并且可以大量储备生产。 由此可知，要制备单克隆抗体，就需要找到一种能分泌抗体且增殖能力强的细胞。在学习单克隆抗体之前我们先来复习一下一些知识点： 1、 什么细胞能产生抗体？——浆细胞（效应B细胞） 2、 能产生抗体的细胞能否大量增殖？——不能，因为浆细胞属于高度分化的细胞。 3、 什么细胞具有无限增殖的能力？——癌细胞/肿瘤细胞，但是它不能分泌抗体 4、 据此，可以怎样培养出一种能分泌抗体且增殖能力强的细胞？——细胞融合。浆细胞+肿瘤细胞。 我们都知道传统的抗体获取方法来自于血清，我们通过向动物体内反复注射某种抗原，使动物产生抗体，然后从动物血清分离所需的抗体，但是脾脏中提取出来的抗体不可能只有一种对吧，因此这种方法制备的抗体不仅产量低，纯度低，而且特异性差。 和你们提出的解决思路是一样的，在1975年，英国科学家米尔斯坦和德国科学家科勒在前人的工作基础上，充分发挥了想象力，设计了一个极富创造性的实验方案。他们想到，如果把一种淋巴B细胞，只能产生一种特定的抗体，与能在体外大量增殖的骨髓瘤细胞融合，所得到的的融合细胞就能大量增殖，产生足够数量的特定抗体。当然该过程要通过动物细胞培养来实现，最后从中获取单克隆抗体。该技术最后也成功实现，由于这一贡献，他们二人在1984年荣获了诺贝尔生理学或医学奖。 【拓展：为什么不是用浆细胞进行融合，而是用B淋巴细胞融合？】 这是高中生物单克隆抗体里最经典、最容易混淆的高频考点，核心一句话先讲透：教材里写的“B淋巴细胞”，本质上就是指能产生特定抗体的活化B细胞/浆细胞前身，并不是随便的未成熟B细胞；之所以不直接写“浆细胞”，是因为浆细胞高度分化、不能分裂，无法形成杂交瘤细胞。 一、先理清这三类细胞的关键区别（考点核心） 1. 未活化的成熟B淋巴细胞 ◦ 能识别抗原，但不大量分泌抗体 ◦ 正常情况下不分裂，受抗原刺激后才增殖分化 2. 效应B细胞（浆细胞） ◦ 唯一能大量分泌特异性抗体的细胞 ◦ 高度分化，失去分裂能力，寿命极短 3. 骨髓瘤细胞（肿瘤细胞） ◦ 能无限增殖，但不能产生抗体 二、为什么必须用B淋巴细胞，不能直接用浆细胞融合？ 融合的目的是得到既能无限增殖，又能产抗体的杂交瘤细胞，需要两个亲本都满足一个条件： • 骨髓瘤细胞：满足无限增殖 • 另一方：必须满足能产生抗体 + 还能进行细胞分裂融合 而浆细胞的致命缺陷： • 已经终末分化，不再进行有丝分裂 • 细胞膜融合活性差，很难与骨髓瘤细胞融合形成杂交瘤细胞 • 即使勉强融合，也无法持续分裂形成细胞株，很快就死亡所以只能选用： 经抗原免疫后的活化B淋巴细胞（教材简化称为“B淋巴细胞”） • 能识别并针对特定抗原，具备产抗体的遗传基础 • 仍保留一定的分裂能力，可以与骨髓瘤细胞融合并形成杂交瘤细胞 三、教材表述的逻辑 教材写“B淋巴细胞”，是简化、标准的教学表述，实际操作中是经过特定抗原免疫后的小鼠B淋巴细胞，它分化方向就是浆细胞，携带对应抗体基因，同时还能融合、分裂，是唯一合适的融合亲本。 四、一句话背考点 浆细胞能产抗体但不能分裂，无法形成杂交瘤；免疫后的B淋巴细胞能产抗体基因且可融合分裂，所以选它与骨髓瘤细胞融合。 单克隆抗体顾名思义指的就是：一个B淋巴细胞经过克隆产生细胞群，由细胞群产生大量抗体。由于B淋巴细胞体外不能大量增殖，其实也就是我们刚刚讲的杂交瘤细胞进行克隆，因此单克隆抗体的概念可以定义为：由单一杂交瘤细胞产生的特异性强的抗体 那么，单克隆抗体是如何制备的呢？请大家阅读教材的流程图回答相关问题： 1、 初始的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞均有多个，融合后得到的细胞是否都是杂交瘤细胞？——还存在未融合的亲本细胞和融合的具有同种核的细胞。只有融合的杂交瘤细胞才是所需的细胞，由此推出需要将杂交瘤细胞筛选出来。 2、 诱导融合后得到的杂交瘤细胞，是否都能分泌所需要的抗体？——不一定。脾脏中有多种B淋巴细胞都可以分泌多种抗体。 3、 经过筛选后得到的既能迅速大量增殖，又能分泌所需抗体的杂交瘤细胞的数量有限，怎样获得大量的单克隆抗体？——动物细胞培养 学生回答相关问题后，教师点评。引导学生分析单克隆抗体的制备过程： 1、 给小鼠注射特定的抗原，注射特定抗原的目的是为了获得特定的抗体，获得能产生特定抗体的B淋巴细胞。从免疫器官脾脏中进行获取，但是脾脏中肯定不可能只有一种B淋巴细胞，有多种B淋巴细胞。这些B淋巴细胞能产生抗体但是不能无限增殖。 2、 与此同时进行骨髓瘤细胞的培养，运用到的方法就是动物细胞培养，进而得到骨髓瘤细胞，这种细胞能够无限增殖，但是不能产生抗体。 3、 得到这两种细胞以后就是关键步骤细胞的融合了，融合的方法有电融合法、PEG融合法以及灭活病毒诱导法等。融合处理以后得到做种杂交细胞，有可能是没有融合的细胞、有可能是同种细胞融合、以及多种杂交瘤细胞，我们需要的是杂交瘤细胞，因此需要进行筛选。 4、 第一次筛选：如何进行筛选呢？我们通过一则资料进行推测一下： 我们把这种含有次黄嘌呤、氨基嘌呤和胸腺嘧啶的培养基称为HAT培养基，由此可见HAT培养基应该是一种选择培养基。因此，融合以后的细胞可以通过特定的选择培养基比如HAT选择培养基进行筛选。最后得到的就是我们需要的杂交瘤细胞。 5、 此时得到的杂交瘤细胞就是能够产生特定抗体的杂交瘤细胞吗？我们刚刚讲到提取出来的B淋巴细胞有多种，同样地，这里的杂交瘤细胞也有多种，因此还需要进行二次筛选。再进行二次筛选之前我们需要先进行克隆化培养，然后再通过抗体检测进行筛选，二次筛选的目的是要获得能够产生特异性抗体的细胞群。因此克隆化培养其实就是扩大培养，便于后面进行抗体检测，抗体检测的方法其实就是利用抗原抗体特异性结合的原理进行的，也就是抗原—抗体杂交技术。其实这两步可以同时进行，用96孔板培养以及筛选。 将杂交瘤细胞群稀释，约每孔1个进行培养（克隆化培养）——一段时间后，检测各孔上清液中细胞分泌的抗体——上清液可与特定抗原结合的培养孔为阳性孔进——一般来说这个过程要进行两到三次，因为【PS：新融合的杂交瘤细胞不稳定，容易失去分泌抗体的性质，所以一般需要进行2~3次检测以确保稳定性】——最后完成第二次筛选。 6、 最后得到能分泌所需抗体的杂交瘤细胞就可以进行扩大培养了，一般来说培养的方法有两种：体内培养或体外培养，体内培养就是将杂交瘤细胞注射到注射到小鼠腹腔中进行自然生长，体外培养也就是我们将的动物细胞培养技术。最后从细胞培养液或者小鼠的腹水中获取大量的单克隆抗体。此时得到的单克隆抗体具有的特点是能准确地识别抗原的细微差异，与特定抗原发生特异性结合，并且可以大量制备。 教师播放单克隆制备的视频，加深学生对该流程的理解。 播放具有实效性的新闻视频，激发学生的学习兴趣，将所学内容和新冠疫情这一生活经验联系。 通过问题逐步引导学生理解单克隆抗体制备的原理，了解所需要的技术，为后续学习做铺垫。 设计一系列具有启发和引导作用的问题，可以帮助学生思考和理解。学生在分析、推理的过程中思维也将得到发展。 结合教材流程图以及学生看书的结果引导学生一起构建单克隆抗体制备的流程图。 通过播放视频，加深学生的理解。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 单克隆抗体在临床上有哪些应用？ 引导学生阅读教材50页思考·讨论，单克隆抗体的应用： 资料1 用抗人绒毛膜促性腺激素单克隆抗体做成的“早早孕诊断试剂 盒”。在妊娠第8天就可以作出诊断，这比原来的诊断方法提前了10d左右，可以避免孕妇在不知道妊娠的情况下因服用药物而对胎儿造成不利影响。该方法检测的准确率在90%以上。 资料2 使用高效的细胞毒素类药物进行化疗可以有效杀伤肿瘤细胞。但 细胞毒素没有特异性，在杀伤肿瘤细胞的同时还会对健康细胞造成伤害，这限制了它在临床上的应用。抗体-药物偶联物（antibody-drugconjugates, ADC）通过将细胞毒素与能特异性识别肿瘤抗原的单克隆抗体结合，实现了对肿瘤细胞的选择性杀伤。ADC通常由抗体、接头和药物(如细胞毒素)三部分组成，它的作用机制如下图所示。 1. ADC的抗体和药物各具有什么作用？——抗体：主要发挥靶向运输作用，即通过特异性结合靶细胞表面的抗原，将连接的药物输送到靶细胞。药物：发挥治疗效应，如杀伤靶细胞。 2. 除了细胞毒素，还有哪些物质理论上可以作为ADC偶联的药物？——① 可以用放射性同位素标记单克隆抗体进行靶向放疗 ② 一些作用于细胞信号转导通路的药物可以通过阻断肿瘤细胞的信号通路来抑制其生长。 3. 单克隆抗体诊断试剂盒和ADC在临床应用上各具有什么优势？ ——① 单克隆抗体诊断试剂盒中的单克隆抗体只与特定的抗原反应，因此检测的特异性和灵敏度大大提高；生产单克隆抗体的杂交瘤细胞可以传代培养、冷冻保存和复苏利用，有利于控制产品的质量和标准化生产诊断试剂盒。 ② ADC能够协同发挥抗体特异性识别的靶向作用和细胞毒素对肿瘤细胞的杀伤作用，因此它在临床上具有靶点清楚、毒副作用小等优点。 1.单克隆抗体的优点：单克隆抗体能准确地识别抗原的细微差异，与特定抗原发生特异性结合，并且可以大量制备。 2.单克隆抗体的应用 （1）作诊断试剂——应用最广泛。比如：利用同位素或荧光标记的单克隆抗体在特定组织中成像的技术，可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。乙肝测定试剂、血型检测试剂、艾滋病检测试剂、新冠病毒检测试剂等。 （2）运载药物： ADC（抗体—药物偶联物）：“生物导弹”是免疫导向药物的形象称呼，它由单克隆抗体与药物、酸或放射性同位素配合而成，因带有单克隆抗体而能自动导向，在生物体内与特定目标细胞或组织结合，并由其携带的药物产生治疗作用。 单克隆抗体+药物 =“生物导弹”。主要用于癌症治疗。 优点：位置准确、疗效高、副作用小 （3） 直接用于治疗疾病。医药领域，单抗类药物占用重要地位。2015年，全球销售额排名前十位的药物中，单克隆抗体药物就有5种。同年，我国的单克隆抗体药物市场规模已达到72亿元。 教师播放视频总结本节内容。 结合资料分析，引导学生认同单克隆抗体具有广阔的应用前景。 回归教材资料，从结构与功能观角度，以抗体涉及的生物学原理为基础分析，阐述单克隆抗体的应用，有利于学生科学思维水平的提升，理解技术对医学的重要作用，培养社会责任意识。 2.2.3 动物体细胞核移植技术和克隆动物（1课时） 教学过程设计 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 创设情景 导入新课 【学生总结上节课内容2-3min】上节课中我们学习了细胞融合技术和单克隆抗体，利用细胞膜的流动性来将不同种细胞用PEG融合法、电融合法以及灭活病毒诱导法等诱导二者融合，形成单个细胞核是融合成功的标志，借助该种技术发展起来的单克隆抗体目前已被广泛应用，比如诊断试剂、运载药物ADC以及自身也可以作为药物进行治疗，单克隆制备的流程是：先向小鼠体内注射同种抗原多次为了获取特定的B淋巴细胞，与此同时培养骨髓瘤细胞，诱导二者融合以后得到多种杂交细胞，杂交细胞中有未融合的、有同种类型融合的、也有我们需要的杂交瘤细胞，这就涉及到第一次筛选，利用HAT选择培养基，只有杂交瘤细胞可以生长繁殖，但是由于最开始从腹腔中获取的有多种B淋巴细胞，因此这里的杂交瘤细胞也有多种，所以还需要进行第二次筛选，通过克隆化培养和抗体检测进行，抗体检测的原理其实就是利用抗原抗体特异性结合的原理，将抗体检测呈阳性的细胞进行扩大培养，扩大培养可以体外或体内进行，最后从中获取单克隆抗体。 教师播放孙悟空取毫毛变出小猴的视频，西游记中的这段描述，展示了中华先贤的想象力。毫毛来自体细胞，我们能用体细胞变出猴来吗？ 2017年，中国的科学家将这一幕变成了现实，他们利用体细胞核移植技术成功克隆出两只猕猴“中中”和“华华”。今天，我们将继续第三小节内容的学习：动物体细胞核移植技术和克隆动物。 学生自行总结上节课的内容，可以加深学生的学习能力、语言表达能力以及总结能力。 通过播放视频，激发学生学习兴趣，同时引导学生认同科学设想很多时候来自于现在或者古人看似天马行空的想象。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 什么是动物细胞核移植技术？ 复习植物组织培养的定义、流程及原理，动物细胞原则上具有全能性，但经过必修一的学习我们简单了解到，离体培养时。动物细胞的全能性并不能完全表现出来，像植物细胞表现出全能性那样发育成完整个体。请学生推测动物细胞如何培养能得到完整动物个体，归纳理解动物细胞核移植的定义、原理。 1、体细胞核移植技术定义：将动物一个细胞的细胞核，移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的技术。 2、原理：动物细胞核的全能性 用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。质疑：为何不称为“克隆技术”而是“核移植技术”？ 3、生殖方式属于无性生殖 4、 种类 引出非人灵长类动物体细胞核移植的困难原因： 教师播放《2017年我国培育世界上首例体细胞克隆猴》视频。 克隆猴介绍：中国科学院神经科学研究所所长、脑智卓越中心主任蒲慕明院士说，克隆猴成为世界性难题的一个主要限制性因素是供体细胞核在受体卵母细胞中的不完全重编程导致胚胎发育率低。同时，用作受体的卵母细胞数量有限，且非人灵长类动物胚胎操作技术尚不完善，也是影响实现非人灵长类动物体细胞克隆的重要因素。胚胎操作的一个必要步骤是给卵母细胞去核。但与其他动物不同的是，猴子的卵母细胞不透明，因此去核操作非常困难。科研人员想出了使用偏振光的方式来给细胞“打光”，但为了尽可能减少对细胞的影响，操作必须在极短时间内完成。为此，中科院神经科学研究所非人灵长类研究平台博士后刘真花了大量的时间，去训练这项技术，最终实现了在10秒内精准完成体细胞核移植的显微操作。同时，科研人员不断尝试各种实验方法，通过表观遗传修饰促进体细胞核重编程，显著提高了体细胞克隆胚胎的囊胚质量和代孕猴的怀孕率。2017年11月27日，世界上首个体细胞克隆猴“中中”在中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心非人灵长类平台诞生; 12月5日，“中中”的妹妹“华华”也顺利诞生。 提出的问题能启发学生思考，帮助他们运用生命观念理解技术的原理。 介绍我国科学家的成就，增强学生的民族自豪感和自信心。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 动物体细胞核移植的基本过程是什么？ 【布置任务】展示高产奶牛的图片，让学生自主建构克隆高产奶牛的流程。 【指导建构】 针对克隆高产奶牛的流程，提出以下问题让学生分析、讨论，进而引导他们完善流程。 1、 体细胞和卵母细胞从哪里来？ 分别从高产奶牛身体某一部位获取体细胞、从屠宰场获取无用的牛卵巢 2、卵母细胞需要在体外培养到什么时期？为什么？ 体积大、营养多、容易操作； 含有促使细胞核表达全能性的物种，且活性高 细胞核、细胞质已成熟 3、在将供体细胞的细胞核移入卵母细胞前，需要先对卵母细胞进行什么操作？为什么？ 去核。为了使核移植的胚胎或动物的核遗传物质全部来自有重要利用价值的动物提供的体细胞。 4、实际在克隆高产奶牛时，科学家并没有从供体细胞中取出细胞核，而是直接将供体细胞注入去核的卵母细胞，你知这是为什么吗？ 最初，在进行动物细胞核移植操作时，是用玻璃微型吸管将供体细胞的细胞核吸出，再注入去核卵母细胞内，这也是“核移植”这一名词的含义。后来，研究者通过实验不断摸索发展出了另外一种方法，即直接将供体细胞注入去核卵母细胞的透明带内，然后用病毒介导或电脉冲等方式使两个细胞融合，因为这种方法操作简便，对卵母细胞损伤较小，所以后来较为常用。 5、融合后的细胞可以直接发育成胚胎吗？ 不能，还需用物理或者化学方法激活重构胚，使其完成细胞分裂和发育进程。 6、克隆出的小牛是对体细胞供体奶牛进行了100%的复制吗？ 克隆动物绝大部分DNA来自体细胞供体（核供体）动物的细胞核，但其细胞核外的DNA,即线粒体中的DNA同时来自核供体细胞和受体卵母细胞。所以，用教材中所述的方法 克隆动物不是对核供体动物进行完全相同的复制。 此外，即便动物的遗传基础完全相同，但由于动物的发育及一些行为、习性的形成与所处环 境有很大关系，克隆动物所生活的环境与核供体动物生活的环境不会完全相同，所以从这一角度看，克隆动物也不是对核供体动物进行100%的复制。 完善流程： 【为什么选择MⅡ期卵母细胞作为受体细胞？】 动物细胞核移植技术能用作受体细胞的通常有MⅡ期卵母细胞和受精卵。早期核移植技术中常用受精卵，后来基本上用MⅡ期卵母细胞代替了受精卵，主要是因为二者的细胞质环境不同。有人认为，激活重构胚需要的因子存在于MⅡ期卵母细胞的细胞质中，而在受精卵原核形成时这些因子已被降解或被用光，因此受精卵的细胞质中缺乏这些因子；也有人认为，可能对受精卵进行去核操作使一些早期发育必需的因子随原核一起被去除了，从而导致去核受精卵缺乏诱导发育的能力。 促成熟因子（MPF）是卵母细胞质中一种重要的蛋白因子，MPF表达水平的高低可影响供体核染色质的状态和复制。MPF的活性在卵母细胞减数分裂的MⅠ期和MⅡ期达到最高，受精后，MPF迅速灭活。MⅡ期卵母细胞细胞核、细胞质已成熟，而MⅠ期卵母细胞细胞核、细胞质尚未成熟，其细胞质不支持胚胎的全程发育，因此尽管MⅠ期卵母细胞中MPF的活性也很高，但它不能用作受体细胞。 【在进行动物细胞核移植操作时，注入卵母细胞的是供体细胞还是其细胞核？】 最初进行核移植时是将供体细胞的细胞核吸出，再注入去核卵母细胞，这也是“核移植”的含义。后来，研究者通过实验摸索出另一种方法：直接将供体细胞注入去核卵母细胞的透明带内，然后用病毒介导或电脉冲等方式使两个细胞融合，因为这种方法简单，对卵母细胞损伤较小，所以后来较为常用。 【既然注入的是整个细胞，那么供体细胞线粒体中的遗传物质是否能表达出相应性状？】 理论上，供体和受体来源的线粒体有三种命运：A、供体线粒体被降解，只剩下受体来源线粒体；B、二者同时存在，核移植个体的线粒体呈异质性；C、受体线粒体被降解，供体线粒体占主导。目前发现，B情况主存在于核移植个体胚胎发育早期，大部分核移植个体后代主要留存受体来源的线粒体。但是目前科学家在不同物种中还未发现完全一致的规律。 布置学生课前五分钟介绍：体细胞核移植技术与诱导iPS细胞相比，有什么相似或不同之处？请你预测它们应用前景的差异。 利用体细胞核移植技术和诱导iPS细胞都能生成干细胞，但它们的过程是完全不同的。通过体细胞核移植技术可以生成带有核供体细胞遗传物质的胚胎干细胞；诱导iPS细胞需要在细胞中表达几个关键基因，将细胞逆转到类似胚胎干细胞的状态。体细胞核移植技术对核供体细胞有较高要求，一般情况下体细胞的分化程度越高，它重编程为干细胞的成功率就越低；可诱导成为iPS细胞的细胞来源相对广些，研究表明成纤维细胞、B淋巴细胞、脂肪干细胞等都可以诱导成为iPS细胞。体细胞核移植技术涉及采集卵母细胞、去核、融合等复杂的操作；诱导iPS细胞的技术流程相对简单，可能更适合用于生产实践。目前科学家还在研究由这两种技术生成的干细胞在基因表达、DNA甲基化等方面的差异，这些研究成果也将直接影响它们今后的应用。 在学生完 成初步的建构 后，让他们进一步完善流程， 可以深化他们对技术流程的认识，同时也能发展科学思维。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 体细胞核移植技术的应用前景有哪些？怎样理性看待体细胞核移植技术存在的问题？ 了解体细胞核移植技术在 生产医用蛋白，提供可供移植的细胞、组织或器官，保护濒危物种等方面具有广阔的应用前景。 【介绍应用】 1、 在畜牧生产中——加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。 1997年，美国威斯康星州的一个奶牛场有一头名叫卢辛达的奶牛，年产奶量为30.8 t，创造了世界奶牛产奶量最高新纪录。目前世界各国高产奶牛场奶牛，年平均产奶量一般为十几吨，而我国奶牛产奶量年平均水平仅为3～4 t。 2、 医药卫生领域： 让学生阅读教材第54页最后一段话，了解体细胞核移植技术存在的问题。2003年，世界上第一只用体细胞克隆的动物——多莉，因患有严重的肺部疾病被实施了安乐死。它只活了7岁，而普通绵羊的平均寿命在12岁左右。多莉的死亡引发了关于克隆动物是否早衰的争论。一些研究者认为，克隆动物的端粒比较短，基因表达不正常，早衰是一种必然现象。另一些研究者则认为，克隆动物的遗传物质是正常的，目前发现的早衰迹象是在克隆过程中的一些技术问题造成的;或者克隆动物在发育过程中出现了变异，早衰只是偶然现象。 认识到体细胞核移植技术面临以下问题：成功率低；培育的克隆动物存在健康问题，表现岀遗传和生理缺陷等。 引导学生 辩证地看待技 术的应用，使 他们既看到技 术进步带来的 积极影响，又 认识到技术应 用可能带来一 些问题。 总结 学科网（北京）股份有限公司 $