資源簡介

動物細胞工程
第1課時　動物細胞培養(yǎng)
【學(xué)習(xí)目標】
1.運用穩(wěn)態(tài)與平衡觀,分析動物細胞培養(yǎng)的條件。(生命觀念)
2.采用歸納與概括、演繹與推理等方法,用文字和圖示說明動物細胞培養(yǎng)的過程。(科學(xué)思維)
3.對干細胞培養(yǎng)用于人類疾病治療等社會熱點問題進行科學(xué)評價。(社會責任)
【自主預(yù)習(xí)】
一、動物細胞培養(yǎng)
1.概念:從動物體中取出相關(guān)的組織,將它分散成單個細胞,然后在適宜的培養(yǎng)條件下,讓這些細胞　生長和增殖　的技術(shù)。
2.動物細胞培養(yǎng)的基本條件
(1)營養(yǎng)條件:糖類、氨基酸、無機鹽、維生素等,通常需要加入　血清　等一些天然成分。培養(yǎng)動物細胞一般使用液體培養(yǎng)基,也稱為培養(yǎng)液。
(2)無菌、無毒的環(huán)境
a.對培養(yǎng)液和所有培養(yǎng)用具進行　滅菌　處理以及在無菌環(huán)境下操作。
b.定期更換培養(yǎng)液,以便清除代謝廢物,防止　細胞代謝物積累　對細胞自身造成危害。
(3)溫度、pH和滲透壓:溫度為(36.5±0.5) ℃;pH為　7.2~7.4　。
(4)氣體環(huán)境:95%　空氣　+5% CO2的混合氣體。O2是細胞代謝所必需的,CO2的主要作用是　維持培養(yǎng)液的pH　。
3.動物細胞培養(yǎng)的過程
(1)體外培養(yǎng)的動物細胞的類型
一類細胞能夠　懸浮　在培養(yǎng)液中生長增殖;另一類則需要　貼附　于某些基質(zhì)表面才能生長增殖,而且還會發(fā)生　接觸抑制　現(xiàn)象,從而使細胞停止分裂增殖。
①細胞貼壁:體外培養(yǎng)的大多數(shù)動物細胞往往　貼附　在培養(yǎng)瓶的瓶壁上,這種現(xiàn)象稱為細胞貼壁。
②接觸抑制:當貼壁細胞分裂生長到表面　相互接觸　時,細胞通常會停止　分裂增殖　,這種現(xiàn)象稱為接觸抑制。
(2)原代培養(yǎng):　分瓶　之前的細胞培養(yǎng),即動物組織經(jīng)處理后的　初次培養(yǎng)　。
(3)傳代培養(yǎng):　分瓶　后的細胞培養(yǎng)。
二、干細胞培養(yǎng)及其應(yīng)用
1.干細胞
(1)特點:在一定條件下,可以　分化　成其他類型的細胞。
(2)來源:早期胚胎、骨髓和臍帶血等多種組織和器官中。
(3)干細胞的種類及主要功能
來源 功能或特點 應(yīng)用
胚胎干細胞(ES細胞) 　早期胚胎　 具有分化為成年動物體內(nèi)的　任何一種類型的細胞　,并進一步形成機體的　所有組織和器官甚至個體的潛能　 可誘導(dǎo)分化成所有種類的組織和器官,理論上可治療所有需要器官和細胞移植的疾病,但由于涉及倫理問題,限制了其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
成體干細胞 　成體組織或器官　 只能分化成特定的　細胞或組織　,不具有發(fā)育成　完整個體　的能力 用造血干細胞治療白血病;用神經(jīng)干細胞治療神經(jīng)組織損傷和神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病
誘導(dǎo)多能干細 胞(iPS細胞) 　成纖維細胞轉(zhuǎn)化　 能分化成為具有特定功能的細胞,用于治療疾病 治療小鼠的鐮狀細胞貧血等
(4)干細胞的應(yīng)用
a.用于治療與組織、器官的發(fā)育、再生和修復(fù)等相關(guān)疾病。
b.培育出人造組織器官,用于　器官移植　。
2.誘導(dǎo)多能干細胞(iPS細胞)
(1)概念:通過體外誘導(dǎo)成纖維細胞獲得的類似　胚胎干細胞　的一類細胞。
(2)應(yīng)用前景:誘導(dǎo)過程無須破壞胚胎,不涉及倫理問題;iPS細胞可以來源于病人自身的體細胞,將它移植回病人體內(nèi)后,理論上可以避免　免疫排斥　反應(yīng)。因此iPS細胞的應(yīng)用前景優(yōu)于胚胎干細胞。
【合作探究】
任務(wù)1　了解動物細胞培養(yǎng)技術(shù)
活動1　閱讀課本和資料,探究動物細胞培養(yǎng)的條件
　　下圖是動物細胞培養(yǎng)的基本過程示意圖。請根據(jù)圖回答:
1.動物細胞培養(yǎng)時,圖中A為什么要將動物組織分散成單個細胞
提示　①保證細胞所需要的營養(yǎng)供應(yīng);②保證細胞內(nèi)有害代謝物的及時排出。
2.動物細胞培養(yǎng)需要控制什么樣的氣體環(huán)境 各自起什么作用
提示　含有95%空氣和5% CO2的混合氣體環(huán)境。空氣中的O2用于維持細胞代謝,CO2的主要作用是維持培養(yǎng)液的pH。
3.B瓶中培養(yǎng)基的成分有哪些
提示　糖類、氨基酸、無機鹽、維生素和血清等。
4.動物細胞培養(yǎng)時,為什么要在培養(yǎng)基中加入血清等天然成分
提示　因為血清等天然成分中含有多種維持細胞正常代謝和生長的物質(zhì),如蛋白質(zhì)、氨基酸、未知的促生長因子等。
5.動物細胞培養(yǎng)和植物組織培養(yǎng)一樣可以獲得完整個體嗎
提示　動物細胞培養(yǎng)時細胞只進行生長和增殖,不能得到完整個體,但是植物組織培養(yǎng)可以獲得完整個體。
例1　(2022·衡陽聯(lián)考)下列關(guān)于動物細胞培養(yǎng)的敘述,不正確的是(　　)。
A.使用合成培養(yǎng)基時,通常需要加入血清等一些天然成分
B.通常置于含有95%O2和5% CO2的混合氣體的CO2培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)
C.滲透壓也是動物細胞培養(yǎng)過程中需要考慮的一個重要環(huán)境參數(shù)
D.需要對培養(yǎng)液和所有培養(yǎng)用具進行滅菌處理以及在無菌環(huán)境下進行操作
【答案】　B
【解析】　使用合成培養(yǎng)基時,通常需要加入血清等一些天然成分,以利于動物細胞生長,A正確;在進行動物細胞培養(yǎng)時,通常將動物細胞置于含有95%空氣和5% CO2的混合氣體的CO2培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng),B不正確;滲透壓可維持細胞形態(tài),故滲透壓也是動物細胞培養(yǎng)過程中需要考慮的一個重要環(huán)境參數(shù),C正確;需要對培養(yǎng)液和所有培養(yǎng)用具進行滅菌處理以及在無菌環(huán)境下進行操作,防止污染,D正確。
易錯分析
1.將細胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)按種類和所需量嚴格配制而成的培養(yǎng)基,稱為合成培養(yǎng)基。培養(yǎng)動物細胞一般使用液體培養(yǎng)基,也稱為培養(yǎng)液。
2.由于人們對細胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)尚未全部研究清楚,因此在使用合成培養(yǎng)基時,通常需要加入血清等一些天然成分。
對點練1　(2022·瀘州質(zhì)檢)下列關(guān)于動物細胞培養(yǎng)條件的敘述,錯誤的是(　　)。
A.體外培養(yǎng)動物細胞時,培養(yǎng)環(huán)境必須保證無菌、無毒
B.在使用合成培養(yǎng)基時,通常還需要加入血清等天然成分
C.細胞培養(yǎng)液需要定時更換,以便清除其中的代謝廢物
D.可使用培養(yǎng)皿或松蓋培養(yǎng)瓶在25 ℃和純氧條件下培養(yǎng)
【答案】　D
【解析】　在體外培養(yǎng)動物細胞時,必須保證培養(yǎng)環(huán)境是無菌、無毒的,A正確;動物細胞體外培養(yǎng)過程中,在使用合成培養(yǎng)基時通常需要加入血清等一些天然成分,補充培養(yǎng)基中缺乏的物質(zhì),B正確;細胞培養(yǎng)液應(yīng)定期更換,以便清除代謝廢物,防止細胞代謝物積累對細胞自身造成危害,C正確;進行細胞培養(yǎng)時,通常使用培養(yǎng)皿或松蓋培養(yǎng)瓶,將其置于含95%空氣和5% CO2的混合氣體的CO2培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng),D錯誤。
活動2　閱讀課本,探究動物細胞培養(yǎng)的過程
下圖表示動物細胞培養(yǎng)的過程,請據(jù)圖思考下列問題:
1.上圖顯示,動物細胞培養(yǎng)的第一步,需要用機械的方法或用胰蛋白酶、膠原蛋白酶等處理動物組織,這樣做的目的是什么 為什么要這樣做 為什么要用胰蛋白酶、膠原蛋白酶處理
提示　目的是將動物組織細胞分散成單個細胞。這樣做是因為分散成單個細胞后容易培養(yǎng),細胞所需的營養(yǎng)容易供應(yīng),其代謝廢物容易排出。動物細胞之間的物質(zhì)主要是蛋白質(zhì),因此需要用胰蛋白酶、膠原蛋白酶等處理清除細胞之間的蛋白質(zhì),使之分散成單個細胞。
2.幼齡動物的細胞與老齡動物的細胞比較,分化程度低的細胞與分化程度高的細胞比較,哪些細胞更易于培養(yǎng) 為什么
提示　幼齡動物的細胞比老齡動物的細胞更易于培養(yǎng),分化程度低的細胞比分化程度高的細胞更易于培養(yǎng)。因為這些細胞增殖能力強,有絲分裂旺盛。
3.細胞培養(yǎng)一段時間后,分裂會受阻,原因是什么 怎么解決這一問題
提示　細胞培養(yǎng)一段時間后,分裂受阻的原因可能有以下幾種:
①少數(shù)動物細胞在培養(yǎng)時能夠懸浮在培養(yǎng)液中生長增殖,隨著培養(yǎng)的進行,懸浮培養(yǎng)的細胞會因密度過大而分裂受阻。
②大多數(shù)動物細胞往往需要貼附在某些基質(zhì)的表面才能生長增殖(細胞貼壁);當貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時,細胞通常會停止分裂增殖。
③培養(yǎng)基的問題:如培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)缺乏,有害代謝物的積累,pH、滲透壓異常等。
解決辦法:進行傳代培養(yǎng)。
4.根據(jù)癌細胞的特點進行分析,培養(yǎng)的癌細胞是否存在接觸抑制現(xiàn)象 為什么
提示　不存在。因為癌細胞細胞膜上糖蛋白含量較少,細胞間的黏著性降低,在適宜的條件下可以無限增殖。
認知生成
1.細胞膜的主要成分之一是　蛋白質(zhì)(膠原蛋白等)　,為避免胰蛋白酶把細胞消化掉,用胰蛋白酶處理動物細胞、組織時需要　控制好時間　。
2.不能用胃蛋白酶代替胰蛋白酶的原因:正常組織細胞的生存環(huán)境與胰蛋白酶作用的最適pH　較接近　,而胃蛋白酶作用的適宜pH為1.5,當pH大于6時胃蛋白酶就會失去活性。
3.分清有關(guān)動物細胞培養(yǎng)知識點的3個“2”
(1)培養(yǎng)過程為“2”:原代培養(yǎng)、傳代培養(yǎng)。
(2)胰蛋白酶等使用“2”次:原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)中均需使用,目的是　使細胞分散開　。
(3)細胞生長特點有“2”個:　貼壁生長　和　接觸抑制　。
例2　(2022·無錫期中)下圖表示動物細胞培養(yǎng)的過程,下列有關(guān)該過程的說法,正確的是(　　)。
A.乙中進行動物細胞培養(yǎng)時通入無菌空氣即可
B.宜用胰蛋白酶將甲中的動物組織分散為單個細胞
C.甲中用于培養(yǎng)的動物細胞宜取自成年動物
D.丙中細胞大量增殖后,細胞之間相互接觸能促進細胞的分裂
【答案】　B
【解析】　乙中進行動物細胞培養(yǎng)時應(yīng)通入含95%空氣和5%CO2的混合氣體,A錯誤;將甲中的動物組織分散為單個細胞可用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理,B正確;甲中用于培養(yǎng)的動物細胞宜取自動物胚胎或幼齡動物的器官或組織,該類型的器官或組織分裂能力強,C錯誤;丙中細胞大量增殖后,細胞之間相互接觸會抑制細胞的分裂,D錯誤。
對點練2　(2023·臨沂檢測)某研究小組為測定藥物對體外培養(yǎng)細胞毒性的大小,準備對某種動物的肝腫瘤細胞(甲)和正常肝細胞(乙)進行動物細胞培養(yǎng)實驗。下列說法正確的是(　　)。
A.制備肝細胞懸液時,可用胃蛋白酶代替胰蛋白酶處理肝組織
B.CO2培養(yǎng)箱中CO2濃度維持在5%左右,主要作用是促進細胞呼吸
C.本實驗應(yīng)設(shè)置對照實驗,以檢測藥物對甲、乙的毒性大小
D.為防止細胞培養(yǎng)過程中細菌污染,可適量添加干擾素
【答案】　C
【解析】　在利用肝組織塊制備肝細胞懸液時,常用胰蛋白酶,不能使用胃蛋白酶,因為胃蛋白酶需要在強酸環(huán)境下才能起作用,但這樣的環(huán)境不適于細胞生存,A錯誤;細胞培養(yǎng)應(yīng)在含CO2的恒溫培養(yǎng)箱中進行,CO2濃度維持在5%左右,主要作用是維持培養(yǎng)液的pH,B錯誤;本實驗應(yīng)設(shè)置對照實驗,用添加藥物、未添加藥物的培養(yǎng)液分別培養(yǎng)兩種細胞,根據(jù)變異細胞占培養(yǎng)細胞的比例來檢測藥物對甲、乙的毒性大小,C正確;為防止細胞培養(yǎng)過程中細菌污染,可適量添加抗生素,D錯誤。
活動3　閱讀課本并查閱資料,探究干細胞培養(yǎng)及其應(yīng)用
　　干細胞的成功培養(yǎng)是動物細胞培養(yǎng)領(lǐng)域重大的成就之一。干細胞包括胚胎干細胞和成體干細胞等。目前胚胎干細胞是胚胎工程的前沿課題之一,也是當今生命科學(xué)研究的熱門課題之一。結(jié)合圖示思考下列問題:
1.胚胎干細胞的來源是怎樣的
提示　哺乳動物的胚胎干細胞簡稱ES細胞,存在于早期胚胎中。
2.胚胎干細胞的應(yīng)用有什么局限性
提示　胚胎干細胞必須從胚胎中獲取,這涉及倫理問題,因而限制了它在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。
3.什么是誘導(dǎo)多能干細胞 誘導(dǎo)多能干細胞用于治療人類的某些頑癥的原理是什么 它在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上有什么優(yōu)勢
提示　(1)誘導(dǎo)多能干細胞(簡稱iPS細胞)是通過體外誘導(dǎo)小鼠成纖維細胞獲得的類似胚胎干細胞的一種細胞。(2)誘導(dǎo)多能干細胞具有發(fā)育的全能性,可以被誘導(dǎo)分化形成新的組織細胞,經(jīng)移植后可使壞死或退化部位得以修復(fù)并恢復(fù)正常功能。(3)因為誘導(dǎo)過程無須破壞胚胎,而且iPS細胞可以來源于病人自身的體細胞,將它移植回病人體內(nèi)后,理論上可以避免免疫排斥反應(yīng)。
例3　(2022·聊城期中)干細胞是一類未參與分化或未完全分化的細胞,分裂能力強。按照其來源分為胚胎干細胞和成體干細胞(如造血干細胞、神經(jīng)干細胞)等。下列關(guān)于干細胞的說法,錯誤的是(　　)。
A.干細胞存在于早期胚胎、脊髓和臍帶血等多種組織和器官中
B.胚胎干細胞的分化程度小于造血干細胞
C.骨髓移植治療白血病就是利用了造血干細胞能分化成各種血細胞的能力
D.成體干細胞具有組織特異性,只能分化成特定的細胞或組織
【答案】　A
【解析】　干細胞存在于早期胚胎、骨髓和臍帶血等多種組織和器官中,包括胚胎干細胞和成體干細胞等,A錯誤;一般認為成體干細胞具有組織特異性,只能分化成特定的細胞或組織,不具有發(fā)育成完整個體的能力,D正確。
易錯辨析
1.發(fā)生分化的細胞表達的基因不完全相同,轉(zhuǎn)錄形成的RNA和翻譯形成的蛋白質(zhì)的種類與含量也不完全相同。
2.發(fā)生分化的細胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能上都發(fā)生了改變,但遺傳物質(zhì)一般不發(fā)生改變。
對點練3　(2022·濟南月考)小鼠的成纖維細胞經(jīng)誘導(dǎo)可成為iPS細胞,為新型再生療法帶來了希望。下列敘述正確的是(　　)。
A.經(jīng)誘導(dǎo)形成的iPS細胞增殖能力增強,分化能力減弱
B.分化后的細胞蛋白質(zhì)種類和數(shù)量不變
C.iPS細胞屬于成體干細胞
D.與ES細胞相比,iPS細胞用于再生醫(yī)學(xué)可避免倫理爭議
【答案】　D
【解析】　經(jīng)誘導(dǎo)形成的iPS細胞增殖能力和分化能力均增強,A錯誤;由于基因的選擇性表達,分化后的細胞蛋白質(zhì)種類和數(shù)量可能會發(fā)生改變,B錯誤;iPS細胞為誘導(dǎo)多能干細胞,不屬于成體干細胞,C錯誤;ES細胞來源于早期胚胎,iPS細胞來源于體細胞,因此與ES細胞相比,iPS細胞用于再生醫(yī)學(xué)可避免倫理爭議,D正確。
素能提升　通過對動物細胞培養(yǎng)實例的分析,培養(yǎng)生命觀念、科學(xué)思維和社會責任等核心素養(yǎng),提高對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的認知能力
1.(2023·南京期末)科學(xué)家將4個關(guān)鍵基因移植入已分化的體細胞中并使其表達,使這個細胞成為具有類似干細胞功能的誘導(dǎo)多能干細胞(iPS細胞)。下圖為iPS細胞用于治療糖尿病的示意圖,下列相關(guān)敘述錯誤的是(　　)。
A.干細胞存在于多種組織和器官中,包括胚胎干細胞和成體干細胞等
B.誘導(dǎo)iPS細胞分化的實質(zhì)是動物細胞核具有發(fā)育的全能性
C.除圖中的成纖維細胞,已分化的T細胞和B細胞等也能被誘導(dǎo)為iPS細胞
D.將分化得到的胰島細胞移植回病人體內(nèi)治療,理論上可避免免疫排斥反應(yīng)
【答案】　B
【解析】　動物和人體內(nèi)少數(shù)具有分裂和分化能力的細胞稱為干細胞,存在于多種組織和器官中,包括胚胎干細胞和成體干細胞等,A正確;誘導(dǎo)iPS細胞分化的實質(zhì)是基因的選擇性表達,B錯誤;iPS細胞最初是由成纖維細胞轉(zhuǎn)化而來的,后來發(fā)現(xiàn)已分化的T細胞和B細胞等也能被誘導(dǎo)為iPS細胞,C正確;由于移植的細胞是由病人自身體細胞誘導(dǎo)得到的,理論上可以避免免疫排斥反應(yīng),D正確。
2.美國科學(xué)家已經(jīng)在實驗室中成功培育出膀胱,并順利移植到7名患者體內(nèi)。這種技術(shù)為那些急需器官移植的患者帶來福音。根據(jù)這則材料,分析并回答下列問題:
(1)科學(xué)家從患者的膀胱上取下一小塊活細胞樣本,將其中的肌肉細胞和膀胱上皮細胞分別置于不同的培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)。在培養(yǎng)之前,需用　　　　　　　　　　　　　　等處理以分散細胞。
(2)與植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基相比,動物細胞培養(yǎng)的培養(yǎng)基的主要不同點是　 。
(3)約一周后將培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)的細胞放在由膠原質(zhì)制成的“支架”上繼續(xù)培養(yǎng),再過7周左右,原先的數(shù)萬個細胞已經(jīng)繁殖到15億個左右,布滿“支架”,膀胱上皮細胞在內(nèi),肌肉細胞在外,形成“新膀胱”。細胞數(shù)目大量增加,其增殖方式是　　　　　　　　,由這些細胞再形成肌肉細胞和膀胱上皮細胞的過程中要經(jīng)過　　。
(4)醫(yī)生將“新膀胱”移植到患者膀胱的上面,新器官會繼續(xù)生長并與老器官重組,取代老器官中喪失功能的部分。新器官與老器官的重組是不是基因重組 “新膀胱”移植后,會不會引起免疫排斥反應(yīng) 為什么 。
【答案】　(1)胰蛋白酶、膠原蛋白酶　(2)動物細胞培養(yǎng)的培養(yǎng)基中含有血清　(3)有絲分裂　細胞分化　(4)不是。不會。因為新器官是由患者自身的細胞發(fā)育而來的,因此新膀胱移植后,不會成為抗原,不會引起免疫排斥反應(yīng)
【解析】　(1)動物細胞培養(yǎng)之前要用胰蛋白酶、膠原蛋白酶等處理一段時間,使組織分散成單個細胞。(2)動物細胞培養(yǎng)的培養(yǎng)基與植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基的主要不同點是動物細胞培養(yǎng)的培養(yǎng)基中含有血清。(3)動物細胞培養(yǎng)過程中細胞的分裂方式是有絲分裂,這些細胞在形成肌肉細胞和膀胱上皮細胞的過程中要經(jīng)過細胞分化。(4)新器官與老器官的重組不是基因重組。“新膀胱”是由患者自身細胞發(fā)育而來的,因此“新膀胱”移植后,不會引起免疫排斥反應(yīng)。
【隨堂檢測】
課堂小結(jié) 課堂小測
1.多數(shù)動物細胞培養(yǎng)過程中其培養(yǎng)液所需的適宜pH為6.8~7.0。 (×) 2.動物細胞培養(yǎng)要定期更換培養(yǎng)液,其目的是便于清除代謝物,防止代謝物積累對細胞自身造成危害。 (√) 3.動物細胞培養(yǎng)技術(shù)的原理是動物細胞的全能性。(×) 4.動物細胞培養(yǎng)時剪碎動物組織的操作不需要在無菌環(huán)境中進行。 (×) 5.制備肝細胞懸液時需要用胃蛋白酶處理一段時間。(×) 6.培養(yǎng)動物細胞時的第一代(即第一次細胞增殖)培養(yǎng)被稱為原代培養(yǎng)。 (×) 7.培養(yǎng)保留接觸抑制的細胞,在培養(yǎng)瓶壁上可形成多層細胞。 (×) 8.胚胎干細胞和成體干細胞都具有形成機體的所有組織和器官甚至個體的潛能。 (×)
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