4.4 免疫学的应用-教学设计2026-2027学年高二上学期生物人教版选择性必修1

4.4 免疫学的应用 教案 一、教材分析 本节选自人教版高中生物学选择性必修1《稳态与调节》第4章《免疫调节》第4节《免疫学的应用》。依据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的要求，学生需要“举例说明免疫系统的组成和功能，免疫细胞、免疫器官和免疫活性物质等是免疫调节的结构与物质基础”。 本节内容主要包括疫苗与器官移植，是对本章理论知识的运用和升华，侧重于培养学生的社会责任教材旨在通过相应的“思考讨论”活动引导学生参与社会问题的讨论，通过这样的讨论活动，希望学生逐渐理解相关知识，能够在一定程度上具有参与社会问题讨论的意识， 最终能理性地看待与此相关的问题，用辩证的眼光看待复杂的社会问题。 二、教学目标 1.阐明疫苗发挥作用的原理（重点）。 2.说明器官移植与组织相容性抗原之间的关系，说出器官移植面临的问题，认同器官捐献。 三、教学重难点 教学重点：疫苗发挥作用的原理。 教学难点：1.疫苗发挥作用的原理。 2.器官移植与组织相容性抗原之间的关系。 四、教学过程 本节聚焦： 1.疫苗的作用是什么？为什么它能发挥这样的作用？ 2.器官移植面临哪些问题？该如何解决这些问题？ 【新课导入】 问题探讨： 某同学在流感开始大规模流行前接种了流感疫苗，可是没过一两个月，她患流感了；而她听说接种过一次麻疹疫苗，终生就不会得麻疹了，她对此很困惑；这到底是什么原因呢？ 讨论：为什么注射的流感疫苗没起到预防作用呢？ 提示：流感病毒极易发生变异，该同学注射的流感疫苗所预防的流感与她所患的流感可能不是同一个类型的，所以没有起到预防作用。 过渡：在人类的历史上，传染病夺去了无数人的生命。而免疫学正是在人类与传染病斗争的过程中发展起来的。 现在，随着人类对免疫系统认识的深入，免疫学得到了越来越广泛的应用。疫苗的发明和应用，就是典型的例证。 【新课学习】 目标1：疫苗 我国是世界上最早用免疫的方法预防传染病的国家，而法国科学家巴斯德有关疫苗的研制，开创了科学地进行免疫接种的新时期。之后，许多研究者针对不同感染性疾病的特异性病原体进行研究，研制出许多疫苗。 公元16世纪，中国人首先用人痘疫苗预防天花，为后来英国的外科医生詹纳（Jenner）发明牛痘疫苗奠定了基础。 法国科学家巴斯德有关疫苗的研制，开创了科学地进行免疫接种的新时期。 巴斯德简介：（1822年12月27日—1895年9月25日），法国微生物学家、化学家，近代微生物学的奠基人。 主要成就： 疾病的病菌说 否定微生物自然发生说巴氏杀菌法 研制狂犬病疫苗等多种疫苗 过渡：什么是疫苗？疫苗的作用是什么？疫苗的种类有哪些呢？ 教师活动：组织学生阅读教材P82-83页，展示疫苗的发明过程以及相关资料，结合教材和资料分析，引导学生思考、讨论并回答相关问题，进而归纳总结疫苗的概念、种类、作用以及接种疫苗时遇到的问题。 学生活动：阅读课本，带着问题，阅读课文，分析资料，思考、讨论并回答问题。归纳总结疫苗的概念、种类、作用以及接种疫苗时遇到的问题。 疫苗的发明： “天花始终盘恒，将墓地填满尸体（死亡率达30%）。用无尽的恐惧折磨幸免之人，又无情的给劫后余生的人留下累累疮痕（疤痕）。” ——英国历史学家麦考利 人类同病原体的斗争一直处于被动局面，直到出现了可以有效预防传染病的方法——接种疫苗，疫苗是免疫学应用的重要成果，它的发明起源于人类与天花病毒的斗争。 资料1 1700年，英国皇家学会会员、著名医生马丁·李斯特收到一封英国商人从中国寄去的信，信中描述了商人在中国看到的人痘接种过程：“打开天花患者的小脓疱，用棉花吸沾一点脓液，并使之干燥……然后放入可能患天花人的鼻子里。”被接种者会轻度感染天花，大部分可以自愈，死亡率约2%。 思考：为什么被接种者会轻度感染天花并痊愈？ 提示：接种物中带有减毒的天花病毒，因此，被接种者会轻度感染天花。但由于接种的天花病毒毒性已经减弱，被接种者完全可以通过免疫系统实现自愈。 人痘接种的发明不仅保护了我国人民的健康，还传到了欧洲等地，在长达半个世纪之久的时间里，世界各国都采用人痘接种的方法来预防天花，直到1796年，英国人爱德华.琴纳发明了牛痘接种法。1895年，牛痘接种传入我国，并逐渐替代了人痘接种。请阅读资料2，并思考相关问题。 资料2 牛痘症状通常是在母牛的乳房部位出现局部溃疡。牛奶厂挤奶女工感染过牛痘后，就不再患天花。牛痘症状在她们身上仅表现为手上出现一些脓疱，间或伴随一些轻微的不适。据此英国的外科医生爱德华·琴纳发明牛痘疫苗。 请采用对比分析法分析人痘接种和牛痘接种的异同，填写以下表格。 归纳总结： 1.疫苗的概念： 疫苗通常是用灭活的或减毒的病原体制成的生物制品。 思考：疫苗必须包含一个完整的病原体吗？为什么？ 提示：疫苗不必包含一个完整的病原体。一般情况下，引起免疫反应的并不是整个病原体，而是病原体所含有的抗原(具有抗原性即可)，如蛋白质、多糖等。 因此，可以利用病原体的某些成分（如蛋白质、多糖荚膜类）及其产物制备疫苗。随着免疫学、生物技术和分子生物学的发展，DNA 疫苗也已经在临床中使用。 2.疫苗的种类 目前应用的疫苗主要有三种：减毒活疫苗、灭活的死疫苗和新型疫苗，各有优缺点。 （1）减毒活疫苗：接种后能感染人体而使人产生免疫力，从而达到预防效果。如“糖丸”就是一种减毒活疫苗，口服后可预防小儿脊髓灰质炎。 （2）灭活的死疫苗：这类疫苗中的病原体已被杀死，安全性很好，但产生的免疫效果不如减毒活疫苗，常需要多次强化免疫，如狂犬病疫苗、流感疫苗。 （3）新型疫苗：新型疫苗包括DNA疫苗和RNA疫苗。 DNA疫苗：是指将含有编码某种抗原蛋白的外源基因与质粒重组后直接导入动物细胞内，并通过宿主细胞的转录、翻译系统合成抗原蛋白，诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。 （3）新型疫苗：新型疫苗包括DNA疫苗和RNA疫苗。 将编码病原体蛋白的mRNA包裹在脂质体中，当疫苗注射到体内时，体内的细胞即可通过该mRNA翻译合成大量的病原体蛋白，并诱导免疫系统识别该蛋白从而产生对病原体的免疫记忆以抵抗病毒感染。 mRNA极易被内环境和细胞中的核酸酶降解，因此，如何有效避免mRNA被降解是研制mRNA疫苗的难点之一。 脂质体不仅用于携带mRNA，还可以保护mRNA不被快速降解。同时脂质体容易与细胞融合，将mRNA递送进入细胞内 【补充】传统疫苗种类： ①减毒活疫苗【失去侵染性，保留抗原性】 经甲醛等处理后丧失致病能力、毒性减弱或基本无毒的活菌或病毒，仍然保留繁殖能力和刺激人体产生免疫应答的能力。常用的有卡介苗、牛痘疫苗等。一般接种一次，且接种量少，免疫时间长，效果好。 ②灭活的死疫苗 也叫死疫苗， 将病原微生物用物理或化学方法灭活后制作而成。常用的有百白破疫苗、狂犬疫苗等。制备简单，保存时间长且相对较安全，接种量大，需要多次接种。 活动1 分析种痘预防天花的机理 问题1.为什么牛痘接种能够替代人痘接种？ 提示：牛痘具有与人痘相同的免疫原性，而且更安全。 问题2.请据图分析在接种的过程中，免疫系统发生了哪些变化？ 通过分析种痘预防天花的机理，初步了解疫苗的作用机理。 在接种过程中，免疫系统完成了对天花病毒的特异性免疫反应，同时针对天花病毒分化出记忆B细胞和记忆T细胞，当再次遇到天花病毒时能迅速作出反应。 3.疫苗的作用机理 当机体输入外源性抗原时，免疫系统能够产生反应，而且这种反应具有特异性。除此之外，免疫系统还具有记忆性，免疫力能维持较长的时间。 接种疫苗后，人体内可产生相应的抗体和记忆细胞，从而对特定传染病具有抵抗力。 4.疫苗的实例： （1）天花疫苗：根除了天花 （2）卡介苗：（预防结核病）、麻疹疫苗（预防麻疹）、脊髓灰质炎疫苗（即糖丸，预防脊髓灰质炎）、百白破三联疫苗（预防百日咳、白喉、破伤风） （3）人乳头瘤病毒（HPV）疫苗（预防由HPV引起的几种子宫颈癌） （4）我国研制的某个亚型的禽流感疫苗，是我国首个DNA疫苗。 活动2 分析接种疫苗时遇到的问题 讨论1.某同学接种了新冠疫苗，大夫提醒他说：“这一两天要留意，可能会有轻微发热或其他症状。”为什么接种疫苗可能会有轻微的反应？ 提示：疫苗通常是用灭活的或减毒的病原体制成的生物制品，接种的疫苗作为外来抗原可激发机体发生免疫反应，有些人引发的免疫反应相对强烈，能引起可感知的反应，如发热等。 讨论2.为什么灭活的新冠疫苗需要接种2针或3针？ 提示：接种完疫苗后，体内的抗体水平随着时间的推移慢慢下降，疫苗产生的保护效果就减弱了。这时候再增加第2或第3针，就可以提高体内的抗体水平，加强机体抵抗力。 讨论3.患免疫缺陷病的儿童能否接种疫苗，尤其是减毒活疫苗？为什么？ 提示：一般情况下，不建议患免疫缺陷病的儿童接种疫苗，特别是减毒活疫苗。这是因为这些儿童的免疫力较低，接种疫苗相当于受到外来抗原的刺激，处理不当，不仅会导致免疫失败，甚至感染严重传染性疾病。 讨论4.接种多种疫苗很麻烦，设计一种用来预防多种疾病的疫苗，可行吗? 提示：可行。因为免疫反应具有特异性，不同疫苗可以引发不同的免疫过程，产生不同的记忆细胞。理论上，制备联合疫苗时要保证其中含有不同的有效抗原成分。临床应用中已有不少联合疫苗。例如，百白破三联疫苗可以同时预防百日咳、白喉、破伤风。 讨论5.有人认为，接种多种疫苗很麻烦，应该设计一种用来预防多种疾病的疫苗。这种想法可行吗？请谈谈你的理由。 提示：可行。将不同抗原联合制成一种疫苗，可预防相应的多种疾病。如：四联疫苗可预防百日咳、白喉、破伤风及由b型流感嗜血杆菌引起的脑膜炎、肺炎、心包炎等。 知识拓展：疫苗技术的发展——三代疫苗技术 第一代疫苗指的是灭活疫苗或减毒疫苗，灭活疫苗就是把病毒培养扩增，然后提纯灭活分装，它是死病毒的全成分，里面有病毒的蛋白部分，刺激人体产生免疫。减毒活疫苗可以这么理解，就是当某种高传染性高致病性病毒出现以后，我们在自然界中发现了与其高度同源且致病力极低甚至不致病的病毒株；或者通过实验室不断扩增病毒并选育出那些因为自身突变导致致病力显著下降的毒株，从而制成减毒活疫苗。 第二代疫苗又称为亚单位疫苗，是通过基因工程原理获得的具有免疫活性的病原特异性结构蛋白，刺激人体产生抗体。 第三代疫苗是核酸疫苗，包括DNA疫苗和mRNA疫苗 DNA疫苗：是指将含有编码某种抗原蛋白的外源基因与质粒重组后直接导入动物细胞内，并通过宿主细胞的转录、翻译系统合成抗原蛋白，诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。 mRNA疫苗将编码病原体蛋白的mRNA包裹在脂质体中，当疫苗注射到体内时，体内的细胞即可通过该mRNA翻译合成大量的病原体蛋白，并诱导免疫系统识别该蛋白从而产生对病原体的免疫记忆以抵抗病毒感染。 第一代疫苗：指的是灭活疫苗和减毒活疫苗。 第二代疫苗：又称为亚单位疫苗，是通过基因工程原理获得的具有免疫活性的病原特异性结构蛋白，刺激人体产生抗体。 第三代疫苗：是核酸疫苗，包括DNA疫苗和mRNA疫苗。 知识拓展：新冠疫苗5条技术路线 第一代疫苗：①； 第二代疫苗：③； 第三代疫苗：②④⑤ 5.接种疫苗的意义： （1）到目前为止，疫苗仍是人类发明的对抗传染病的一件有效的武器，而且对某些疾病来讲，注射疫苗可能是唯一有效的预防措施。 （2）随着免疫学、生物化学的发展以及生物技术的不断改进，疫苗的研制和应用已扩展到许多非传染病领域，而且已经出现了治疗性制剂。 教材旁栏思考题：疫苗必须包含一个完整的病原体吗？为什么？ 提示：疫苗不必包含一个完整的病原体。一般情况下，引起免疫反应的并不是整个病原体，而是病原体所含有的抗原。因此，可以利用病原体的某些成分（如蛋白质、多糖荚膜类）及其产物制备疫苗。随着免疫学、生物技术和分子生物学的发展，DNA 疫苗也已经在临床中使用。 批判性思维：患免疫缺陷病的儿童，能否接种疫苗，尤其是减毒活疫苗？为什么？ 提示：不同类型的免疫缺陷病患者，对是否接种疫苗、可以接种哪种疫苗的要求，是有区别的。但一般情况下，不建议患免疫缺陷病的儿童接种疫苗，特别是减毒活疫苗。这是因为这些儿童的免疫力较低，接种疫苗相当于受到外来抗原的刺激，处理不当，容易引起强烈的免疫反应。 目标2：器官移植 教师活动：组织学生阅读教材83-84页，引导学生思考、讨论并回答相关问题，进而让学生尝试归纳总结器官移植的概念、意义、器官移植面临的问题。 学生活动：阅读教材，思考、讨论并回答相关问题，尝试归纳器官移植的概念、意义、器官移植面临的问题。 1.器官移植的概念和意义 概念：医学上用正常的器官置换丧失功能的器官，以重建其生理功能的技术。 意义：器官移植已成为治疗多种重要疾病的有效手段。 主要依赖于器官保存技术和外科手术方法等的不断改进，以及高效免疫抑制剂的陆续问世。 技术支持：器官保存技术、外科手术方法、高效免疫抑制剂 但器官移植依旧面临很多问题，其解决涉及免疫学的应用。 活动3 分析器官移植所面临的问题 教师活动：指导学生阅读“器官移植所面临的问题及希望”的资料，引导学生思考讨论并回答问题。 学生活动：阅读后讨论相关问题。 思考•讨论：器官移植所面临的问题及希望讨论 资料1 人类很早就尝试做器官移植以挽救一些病人。1901年，法国医生卡雷尔在给一位朋友的信中写道：“肾移植这种手术，在同种异体之间从来还没有成功过。”1952年，法国另一位医生为一位16岁的患者移植了患者母亲的一颗肾，然而这凝结着伟大母爱的肾只存活了22天。 资料2 据媒体报道，瑞金市3岁男孩张某身患白血病。幸运的是，张某的骨髓与父亲的骨髓配型成功了。而身在千里之外的白血病患者李某却没有那么幸运，与其亲属的骨髓配型均没有成功。 讨论： 问题1.最初进行的器官移植，为什么总是不成功呢？ 提示：可能主要是没有考虑免疫排斥问题。（免疫排斥） 问题2.在进行器官移植或骨髓移植时，为什么都要先进行配型，即检查供体和受体之间的组织相容性呢？ 提示：在进行器官移植或骨髓移植时，都要先进行配型，这是因为，受体和供体的组织相容性抗原越一致， 在进行移植时发生免疫排斥的可能性就越低，移植的器官就越容易存活。如果配型不合适，发生排斥的可能性就大，就不适合移植。 组织相容性抗原(HLA) 每个人的细胞表面都带有一组与别人不同的蛋白质，标明细胞身份的标签物质。 白细胞能够识别HLA，区分自己和非己。 正常情况下，白细胞不攻击自身细胞。 MHC——组织相容性抗原 HLA ——人类白细胞抗原 每一个个体的细胞表面都带有一组与其他个体不同的蛋白质---组织相容性抗原，简称MHC。在人体中称作人类白细胞抗原，简称HLA,他们是标明细胞身份的标签物质。每个人的白细胞都能识别这些物质，因此正常情况下是不会攻击自身细胞的。如果将别人的器官或组织移植过来，白细胞就能识别出HLA的不同而发起攻击。 问题3.不完全的配型仍会发生免疫排斥，有可能导致移植器官的死亡，如何解决？ 提示：运用免疫抑制剂。 批判性思维：免疫抑制剂会使淋巴细胞减少，因而患者容易患感染性疾病，这一问题该如何解决？ 提示：在免疫抑制剂药物与预防感染之间寻求平衡，尽量使运用免疫抑制剂的病人避免接触病原体，或通过适当的锻炼，提高自身免疫力。 资料3 据世界卫生组织于2013年的调研结果显示，全球一年实施了12万例器官移植手术，而这只能满足不到10％移植需求者的需求。另有数据表明，2015年，我国实施器官移植手术突破1万例（其中肝移植2000多例、肾移植5000多例），位居世界第2位，但2015年肝移植需求者新增4000多人，肾移植需求者新增了1万多人。 提出问题：如何保证供体器官公平合理地分配给器官坏死的患者？ 2007年，国务院颁布了《人体器官移植条例》； 2011年，全国人大常委会通过了《刑法修正案（八）》明确禁止人体器官买卖，增加了“器官买卖罪”； 同年，《人体器官捐献登记管理办法（试行）》和《人体器官捐献协调员管理办法（试行）》发布； 2013年，我国人体器官分配与共享计算机系统正式启用。 病情紧急程度和供受者匹配程度 移植器官短缺的问题，除了依靠人们的爱心捐赠，科学家也期待能够利用技术解决问题 问题4.利用由自体干细胞培养出的组织、器官进行移植，有何优点？ 提示：利用由自体干细胞培养出的组织、器官进行移植，移植器官和受体的组织相容性抗原是相同的，移植后发生免疫排斥的可能性很小。 资料4 据媒体报道，2015年，研究人员利用干细胞培养出具有单个腔室结构的迷你跳动心脏（相当于成人心脏的千分之一）；2017年，研究人员又利用干细胞成功培养出了人类胚胎期的结肠组织，培养成熟后，它与人体的肠组织具有很高的相似性。你还可以搜集到更多的科学家利用干细胞培养组织、器官的研究进展的报道。 问题5.在进行器官移植时，运用免疫抑制剂可以提高成活率。但这些药物会使淋巴细胞减少，因而患者容易患感染性疾病。这一问题该如何解决？ 提示：需要在用免疫抑制剂药物与预防感染之间寻求平衡，并尽量使运用免疫抑制剂的病人避免接触病原体，或通过适当的锻炼，提高自身免疫力。 2.器官移植成功的关键：每个人细胞表面都带有一组与别人不同的蛋白质——组织相容性抗原，也叫人类白细胞抗原简称HLA。关键取决于供者与受者的HLA是否一致或相近。 3.器官移植的现状和面临的问题及希望 （1）器官移植的现状 器官移植已成为治疗多种重要疾病的有效手段，其主要原因有两点： ①器官保存技术和外科手术方法等的不断改进。 ②高效免疫抑制剂的陆续问世。 （2）面临的问题及希望 问题：免疫排斥、供体器官短缺等。 希望：利用干细胞培养相应的组织、器官；更多的人自愿捐献器官。 器官移植面临问题1——免疫排斥 ①组织相容性抗原，也叫人类白细胞抗原，简称HLA 每个人的细胞表面都带有的一组与别人不同的蛋白质。 ②组织相容性抗原是标明细胞身份的标签物质，每个人的白细胞都认识这些物质，因此正常情况下不会攻击自身的细胞。 如果将别人的器官或组织移植过来，白细胞就能识别出HLA不同而发起攻击。 器官移植常发生免疫排斥反应，是属于哪种免疫反应？（细胞免疫） ③器官移植成败的关键：主要取决于供者与受者的HLA是否一致或相似。 ④器官移植条件：只要供者与受者的主要HLA有一半以上相同，就可以进行器官移植。 器官移植面临问题2——供体器官短缺 ①利用由自体干细胞培养出的组织、器官进行移植，移植器官和受体的组织相容性抗原是相同的，移植后发生免疫排斥的可能性很小。 ②免疫抑制剂的应用，大大提高了器官移植的成活率，给需要进行器官移植的患者带来了希望。 ③希望唤醒潜藏于人们心灵深处的爱心，有更多的人加入到自愿捐献器官的行列中来。 4.免疫学在临床实践上的应用 免疫学的应用非常广泛，除了疫苗和器官移植，还在医学临床实验的不同环节：免疫预防、免疫诊断和免疫治疗等有所应用。由于抗原和抗体反应的高度特异性，利用免疫学技术和制剂，可以在临床诊断中检测病原体和肿瘤标志物。另外，免疫治疗已经成为与传统手术、化疗、放射性化疗并列的重要治疗方法。例如治疗类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮等常常使用免疫抑制剂。 （1）免疫预防：接种疫苗 是指在患病前将各种人工制备的免疫制剂（菌苗、疫苗或血清等）接种到人体内，使人体产生抗体及记忆细胞，增强人的免疫力，以达到预防传染病的目的。 通过免疫预防，人们能预防多种传染病，但是不能预防所有传染病。正常来讲接种一种疫苗只能预防一种传染病，而且有些传染病的病原体还可能发生变异。如流感病毒。 2.免疫治疗（患病后的措施） ①免疫增强疗法：对免疫功能低下者， 如输入抗体、细胞因子等免疫活性物质。 增强机体的免疫功能，如有的肿瘤的免疫治疗旨在激活人体免疫系统，依靠自身免疫机能杀灭癌细胞和肿瘤组织 ②免疫抑制疗法：如治疗类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等。 抑制机体的免疫功能，常用于自身免疫病的治疗及防止移植后排斥反应的发生，例如系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、器官移植。 ③免疫调节：用物理、化学或生物学等手段调节免疫功能。 ④免疫重建：将正常个体的造血干细胞或淋巴细胞转移给免疫缺陷个体，以恢复其免疫功能。 3.免疫诊断（诊断措施）：根据抗原和抗体反应的高度特异性，将免疫学技术和制剂用于临床诊断。如检测病原体和肿瘤标志物。 （1）原理：抗原和抗体反应的高度特异性。 （2）操作及现象：抗原和相应的抗体之间可以发生特异性结合，这种反应还能在体外进行。如抗原、抗体间发生了特异性结合，则可观察到凝集、沉淀等反应现象。 （3）实例：检测病原体、肿瘤标志物。 生物科技进展——癌症的免疫疗法 活化的T细胞表面具有PD-1(程序性死亡受体1)，与正常细胞表面的PD-L1(程序性死亡配体1)一旦结合。T细胞可以“认清”对方，不触发免疫反应。研究发现，肿瘤细胞可以通过过量表达PD-L1,来逃避免疫系统的“追杀”。基于此，科学家便用PD-1和PD-L1的抗体来阻断这一信号通路，从而使T细胞能够有效的对付癌细胞。截至2018年11月，PD-1抗体或PD-L1抗体作为广谱抗癌药物已经获批用来治疗多种癌症。 课堂小结： 五、板书设计 4.4 免疫学的应用 一、疫苗 1.疫苗的概念 2.疫苗的种类 3.疫苗的作用机理 4.疫苗的实例 二、器官移植 1.概念和意义 2.器官移植成功的关键 3. 器官移植的现状和面临的问题及希望 三、免疫学在临床实践上的应用 1.免疫预防 2.免疫治疗（患病后的措施） 3.免疫诊断（诊断措施） 学科网（北京）股份有限公司 $