2024-2025学年高二生物人教版选择性必修3 第2章 第2节 第1课时 动物细胞培养

第2节动物细胞工程第1课时动物细胞培养[学习目标]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中有广泛的应用价值。一、动物细胞培养的条件和过程1．动物细胞工程(1)常用技术：动物细胞培养、动物细胞融合和动物细胞核移植等。(2)基础：动物细胞培养。2．动物细胞培养(1)概念：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。(2)培养条件①营养a．合成培养基：将细胞所需的营养物质(糖类、氨基酸、无机盐、维生素等)按种类和所需量严格配制而成的培养基。b．天然成分：使用合成培养基时，通常需要加入血清等一些天然成分，原因是血清中含有尚未全部研究清楚的细胞所需的营养物质。c．培养动物细胞一般使用液体培养基，也称为培养液。②无菌、无毒的环境a．对培养液和所有培养用具进行灭菌处理。b．在无菌环境下进行操作。c．培养液需定期更换，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。③温度、pH和渗透压a．温度：以36.5℃±0.5℃为宜。b．pH：以pH为7.2～7.4为宜。c．适宜的渗透压。④气体环境a．组成：动物细胞培养所需气体主要有O2和CO2。b．不同气体的作用O2：是细胞代谢所必需的。CO2：维持培养液的pH。c．培养容器：通常采用培养皿或松盖培养瓶。d．培养仪器：含有95%空气和5%CO2的混合气体的CO2培养箱。(3)培养过程①②过程(4)相关概念①细胞贴壁：悬液中分散的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，细胞通常停止分裂增殖的现象。③原代培养：指动物组织经处理后的初次培养。④传代培养：分瓶后的细胞培养。特别提醒区分两种“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；细胞培养过程中出现接触抑制，用胰蛋白酶处理使其从瓶壁上脱离下来分散成单个细胞，然后再用离心法收集，之后，将收集的细胞制成细胞悬浸，分瓶培养，为传代培养。判断正误(1)动物细胞培养体现了动物细胞的全能性()(2)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞()(3)悬浮培养的细胞直接用离心法收集，贴壁细胞需要用胰蛋白酶等处理后再用离心法收集()(4)培养动物细胞的第一代(即第一次细胞增殖)被称为原代培养()答案(1)×(2)×(3)√(4)×提示(1)动物细胞培养未体现动物细胞的全能性，其原理是细胞增殖。(2)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成单层细胞。(4)原代培养指动物组织经处理后的初次培养，不一定是第一次细胞增殖。任务一：动物细胞培养1．动物细胞培养的原理是细胞增殖。2．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？提示幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更易培养。原因是这些细胞分裂能力强。3．进行动物细胞传代培养时用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是蛋白质。不可以(填“可以”或“不可以”)使用胃蛋白酶，原因是多数动物细胞生存的适宜pH为7.2～7.4，胃蛋白酶(适宜pH为1.5左右)在此环境中没有活性。4．“细胞增殖到互相接触的时候，糖蛋白识别了这种信息，就会使细胞停止分裂增殖，出现接触抑制的现象”。试结合上述解释，举例说明哪种细胞无接触抑制现象，并阐述原因。提示癌细胞；癌细胞的细胞膜上的糖蛋白等物质减少。1．动物细胞培养的相关处理(1)使细胞分散开的原因：一是能保证细胞所需要的营养供应；二是能保证细胞内有害代谢物的及时排出。(2)使用胰蛋白酶时，要控制好作用时间，因为胰蛋白酶不仅能分解细胞间的蛋白质，长时间作用还会分解细胞膜蛋白等，对细胞造成损伤。(3)动物细胞的整个培养过程中可能多次用到胰蛋白酶或胶原蛋白酶，第一次使用的目的是使组织细胞分散开；贴壁细胞传代培养时使用的目的是使细胞从瓶壁上脱离下来，分散成单个细胞，便于分瓶后继续培养。(4)在进行传代培养时，悬浮培养的细胞直接用离心法收集，贴壁细胞需要用胰蛋白酶处理，使之分散成单个细胞，再用离心法收集。2．动物细胞培养与植物组织培养的比较项目动物细胞培养植物组织培养理论基础细胞增殖植物细胞的全能性培养前处理无菌；用机械的方法或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理，将组织分散成单个细胞无菌、离体取材动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织植物幼嫩的部位或花药等培养基性质液体固体培养基成分糖类、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等水、矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素和琼脂等结果细胞培养产生大量细胞，不形成新个体可产生新个体应用人造皮肤的构建、动物分泌蛋白的规模化生产快速繁殖、作物脱毒、细胞产物的工厂化生产和单倍体育种等相同点①都需人工条件下的无菌操作；②都需要适宜的温度、pH等条件；③都进行有丝分裂，都不涉及减数分裂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答案A解析小鼠胚胎的脑组织中含有丰富的原代神经元，细胞增殖能力强，不会出现细胞生长缓慢的现象，A符合题意；密封培养瓶瓶口会使培养液中缺氧，影响细胞的有氧呼吸，造成供能不足，可能导致细胞生长缓慢，B不符合题意；血清经过高温处理后，其中的活性成分变性，失去原有功能，细胞的生存环境严重恶化，可能导致细胞生长缓慢，C不符合题意；小鼠细胞生活的内环境为弱碱性，所使用的培养基呈弱酸性，导致细胞生存的环境恶劣，可能导致细胞生长缓慢，D不符合题意。2．(2024·黑吉辽，14)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()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答案D解析传代培养时需要营造无菌、无毒以及95%空气＋5%CO2的气体环境，而非密封，A错误；①的细胞还未快速增长，此时进行传代培养没有意义，应选②的细胞进行传代培养，B错误；对于贴壁生长的细胞进行传代培养时，先需要用胰蛋白酶等处理，使之分散为单个细胞，然后再用离心法收集，之后，将收集的细胞制成细胞悬液，分瓶培养，C错误。二、干细胞培养及其应用1．来源：早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。2．类型：胚胎干细胞和成体干细胞等。3．胚胎干细胞(简称ES细胞)(1)概念：存在于早期胚胎中，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。(2)局限：胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理问题，因而限制了它在医学上的应用。(3)成果：目前科学家已经分离了兔、牛、猴和人等的ES细胞，并证明了ES细胞可以在体外分化成心肌细胞、神经元和造血干细胞等细胞。4．成体干细胞(1)概念：成体组织或器官内的干细胞。(2)类型eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(骨髓中的造血干细胞,神经系统中的神经干细胞,睾丸中的精原干细胞))(3)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。(4)作用：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。(5)应用①造血干细胞：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。②神经干细胞：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)。5．诱导多能干细胞(1)概念：通过体外诱导成纤维细胞等，获得类似胚胎干细胞的一种细胞，被称为诱导多能干细胞(简称iPS细胞)。(2)应用：治疗小鼠的镰状细胞贫血；用iPS细胞治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展。(3)优点：诱导过程无须破坏胚胎；iPS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。(4)制备方法：借助载体将特定基因导入细胞中，直接将特定蛋白导入细胞中或者用小分子化合物等来诱导形成iPS细胞。(5)来源：成纤维细胞、已分化的T细胞、B细胞等。判断正误(1)干细胞都来源于早期胚胎()(2)iPS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，可以避免免疫排斥反应()(3)不同类型的干细胞，它们的分化潜能完全相同()答案(1)×(2)√(3)×提示(1)干细胞存在于早期胚胎、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。(3)不同类型的干细胞，它们的分化潜能是有差别的，如胚胎干细胞的分化潜能大于成体干细胞。任务二：诱导多能干细胞如图为iPS细胞的培养和利用过程，请据图回答问题：(1)1→2过程的实质是什么？提示基因的选择性表达。(2)诱导多能干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是什么？提示诱导多能干细胞可以被诱导分化形成新的组织细胞，经移植可使坏死或退化部位得以修复并恢复正常功能。(3)诱导多能干细胞通过体外诱导分化，可以培育出人造器官，从而解决供体器官不足的问题。又由于人造器官是病人自身体细胞经诱导分化形成的，所以可以避免免疫排斥反应。3．研究人员研究肥胖机理时发现了一种与脂肪细胞的分化形成有关的蛋白质M，其细胞分化过程如图所示。下列有关叙述错误的是()A．已分化的细胞不可能继续分化为其他类型的细胞B．肌肉细胞与脂肪细胞中均含控制蛋白质M合成的基因C．促进蛋白质M的合成是解决肥胖问题的一条途径D．间充质细胞是一种成体干细胞，其分化过程具有组织特异性答案A解析已分化的细胞也可能继续分化为其他类型的细胞，如人体的干细胞可分化为间充质细胞，间充质细胞又分化为肌肉细胞或脂肪细胞，A错误。4．(多选)肌萎缩侧索硬化症即“渐冻症”，该病病因之一是突变的基因导致有毒物质积累，使运动神经元损伤。最新研究结果表明，利用诱导多能干细胞(iPS细胞)制作前驱细胞，然后移植给渐冻症实验鼠，能延长其寿命。下列关于诱导多能干细胞的叙述，正确的是()A．iPS细胞分化的实质是基因的选择性表达，细胞种类增多B．iPS细胞分化成的多种细胞中所有核酸均相同，蛋白质却不完全相同C．若将突变的相关基因替换，或许可以起到治疗该病的作用D．经体外诱导产生造血干细胞，在小鼠骨髓中能够增殖分化出B细胞答案ACD解析细胞分化形成的多种细胞中DNA相同，但mRNA不完全相同，蛋白质也不完全相同，B错误；B细胞是由造血干细胞增殖分化形成的，经体外诱导产生的造血干细胞，在小鼠骨髓中能够增殖分化出B细胞，D正确。课时对点练[分值：100分]第1～3题，每题5分；第4～12题，每题6分，共69分。题组一动物细胞培养的条件1．下列哪项条件不是动物细胞培养所需要的()A．无菌、无毒的环境B．充足的营养物质C．适宜的温度和pHD．95%的空气和5%的氧气答案D解析动物细胞培养需要一定的气体环境，95%的空气和5%的CO2。2．下列有关动物细胞培养的叙述，错误的是()A．培养过程中，应定期更换培养液，以便清除细胞代谢物B．为了防止培养过程中杂菌的污染，可向培养液中加入适量的干扰素C．培养过程中，添加CO2的目的是维持培养液的pHD．通常需要在合成培养基中加入血清等天然成分答案B解析为了防止培养过程中杂菌的污染，可向培养液中加入适量的抗生素，B错误。3．(2024·无锡高二期中)关于动物细胞培养的条件，下列叙述正确的是()A．动物细胞培养基中加入血清的主要目的是补充细胞所需的未知成分B．动物细胞培养可以在液体培养基或固体培养基中进行C．动物细胞培养需要在无菌、无毒环境中进行，该条件只受环境因素的影响D．动物细胞培养无需考虑渗透压问题答案A解析动物细胞培养一般使用液体培养基，B错误；动物细胞培养时，培养环境必须保证无菌、无毒，该条件除了受环境因素的影响外，还会受到自身因素的影响，如细胞代谢废物积累会对细胞自身造成危害，C错误；动物细胞培养需要考虑渗透压问题，培养液的渗透压的高低会影响细胞的形态、结构和功能，D错误。题组二动物细胞培养的过程4．下列关于动物细胞培养的叙述，错误的是()A．用于培养的细胞大都取自胚胎或幼龄动物的器官或组织B．选用胰蛋白酶处理细胞时，可能会对动物细胞造成损伤C．传代培养时，悬浮培养的细胞直接用离心法收集，无须再用酶处理D．体外培养的细胞既能贴壁生长又能悬浮生长，都会发生接触抑制现象答案D5．实验小鼠皮肤细胞培养的基本过程如图所示。下列叙述错误的是()A．培养液中往往添加一定量抗生素，以防止培养过程被污染B．乙过程对皮肤组织可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶等处理C．丙过程属于原代培养，此过程的细胞在培养液中悬浮生长D．丁过程属于传代培养，培养的皮肤细胞可能会出现接触抑制现象答案C6．(2022·江苏，14)航天员叶光富和王亚平在天宫课堂上展示了培养的心肌细胞跳动的视频。下列相关叙述正确的是()A．培养心肌细胞的器具和试剂都要先进行高压蒸汽灭菌B．培养心肌细胞的时候既需要氧气也需要二氧化碳C．心肌细胞在培养容器中通过有丝分裂不断增殖D．心肌细胞在神经细胞发出的神经冲动的支配下跳动答案B解析培养心肌细胞的器具要先进行高压蒸汽灭菌，但是试剂并不都需要高压蒸汽灭菌，如动物血清不能进行高压蒸汽灭菌，否则会使其中的成分失活，A错误；培养心肌细胞的时候既需要氧气(细胞代谢所必需的)，也需要二氧化碳(维持培养液的pH)，B正确；心肌细胞高度分化，不能进行有丝分裂，C错误。题组三干细胞培养及其应用7．下列有关干细胞的叙述，错误的是()A．干细胞可来源于早期胚胎、骨髓和脐带血等B．胚胎干细胞在体外培养能增殖但不能被诱导分化C．造血干细胞具有分化出多种血细胞的能力，可用于治疗白血病D．iPS细胞可用于阿尔茨海默病、心血管疾病治疗的研究答案B解析若给予适宜的环境条件，胚胎干细胞在体外也能被诱导分化，B错误。8．如图为诱导多能干细胞(iPS细胞)用于治疗糖尿病的示意图，下列相关叙述错误的是()A．干细胞存在于多种组织和器官中，包括胚胎干细胞和成体干细胞等B．诱导iPS细胞分化的实质是动物细胞核具有发育的全能性C．除图中的成纤维细胞外，已分化的T细胞和B细胞等均能被诱导为iPS细胞D．将分化得到的胰岛细胞移植回病人体内治疗，理论上可避免免疫排斥反应答案B解析诱导iPS细胞分化的实质是基因的选择性表达，B错误。9．常规动物细胞培养在平面条件下培养出的单层细胞不同于人体内的组织结构，在药物研究中有一定局限性。三维细胞培养技术是在体外为细胞提供类似体内的生长环境，使细胞形成三维立体结构，更有利于药理学的研究。下列相关叙述正确的是()A．细胞培养过程中，混合气体中CO2的主要作用是刺激细胞呼吸B．定期更换培养液的主要目的是防止培养过程中细胞被杂菌污染C．与常规细胞培养相比，三维细胞培养技术不存在接触抑制现象D．三维细胞培养技术可以用于检测药物对组织内部细胞的作用答案D解析细胞培养过程中，气体环境中的CO2的主要作用是维持培养液的pH，A错误；定期更换培养液，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，B错误；三维细胞培养技术也存在接触抑制现象，C错误。10．(多选)动物细胞体外培养时，通常要在培养基中补充一定浓度的某些物质。如图是血清对正常细胞和癌细胞培养影响的实验结果，能从该图获得的结论是()A．正常细胞与癌细胞的增殖速率相同B．有无血清对正常细胞培养的影响较大C．培养基中补充血清有助于正常细胞的培养D．培养基中是否补充血清对癌细胞的培养影响不大答案BCD解析分析图中曲线可知，对癌细胞来说，相同培养时间内，培养基中有无血清，其细胞数目相差不大，说明培养基中有无血清对癌细胞的培养影响不大，D符合题意；对正常细胞来说，在相同的培养时间内，有血清的培养基中培养的细胞数目远远多于没有血清的培养基中培养的细胞数目，说明有无血清对正常细胞的培养影响较大，B、C符合题意；在相同条件和相同的培养时间内，癌细胞和正常细胞的数目差距较大，增殖速率不相同，正常细胞达到一定的数目后不再增加，而癌细胞却能不断增加，A不符合题意。11．(多选)卡铂为广谱抗肿瘤药，通过抑制DNA复制而起效。卡铂微溶于水，其水溶液在光下不稳定，溶液中的Cl－也会促进其分解。临床上用5%葡萄糖溶液与卡铂制成卡铂试剂后注射治疗，相关实验的设计思路如图。下列说法正确的是()A．本实验的自变量是卡铂试剂和DNA复制抑制剂的有无B．本实验可用生理盐水代替5%葡萄糖溶液来配制卡铂试剂C．本实验预期结果为①与④组数据接近，②与③组数据接近D．宫颈癌细胞无接触抑制因而培养时可形成多层细胞答案AD解析由题意可知，溶液中的Cl－会促进卡铂分解，因此不可用生理盐水代替5%葡萄糖溶液来配制卡铂试剂，B错误；①组不会抑制DNA的复制，④组会抑制DNA的复制，所以①与④组数据不相近，C错误。12．(多选)2012年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现，利用逆转录病毒将Oct3/4等4个关键基因导入已分化的体细胞中并表达，可使这个细胞成为类似干细胞的诱导多能干细胞(iPS细胞)。如图为该技术在人体细胞中的实验示意图，下列相关叙述错误的是()A．由iPS细胞产生其他种类细胞的过程称为细胞增殖B．利用患者的iPS细胞对其自身受损器官进行修复，与传统器官移植相比，成功率更高C．iPS细胞的增殖难以控制，具有衰老细胞的特征D．与ES细胞相比，iPS细胞用于再生医学可回避伦理争议答案AC解析由iPS细胞产生其他种类细胞的过程称为细胞分化，A错误；用该技术得到的新生器官替换供体病变器官，属于自体移植，理论上可以不发生免疫排斥反应，可以大大提高器官移植的成功率，B正确；iPS细胞具有与干细胞相似的分化潜力，说明iPS细胞分化程度低，不易衰老，C错误；与ES细胞相比，iPS细胞的诱导过程无须破坏胚胎，因而用于再生医学可以回避伦理争议，D正确。13．(每空3分，共15分)(2024·常熟高二期中)动物器官的体外培养技术对研究器官的生理、病理过程及其机制的意义重大。如图是一个新生小鼠的肝脏小块培养装置示意图，请回答下列问题：(1)体外培养肝脏小块要满足的条件：适宜的温度、pH、渗透压、气体环境、营养和_______________________________________________________________________________。(2)气室中充入5%CO2的主要作用是__________________________。(3)有机物X有毒性，可诱发染色体断裂。利用如图所示装置和下列提供的材料用具，探究肝脏小块对有机物X是否具有解毒作用。材料用具：肝脏小块、外周血淋巴细胞、淋巴细胞培养液、植物血凝素(刺激淋巴细胞分裂)；显微镜、载玻片、盖玻片、玻璃皿、滴管；吉姆萨染液(使染色体着色)、有机物X溶液等。实验过程：①在淋巴细胞培养液中加入植物血凝素培养淋巴细胞，取4等份，备用。②利用甲、乙、丙、丁4组装置(与上图相同)，按下表所示步骤操作(“√”表示已完成步骤)操作步骤甲乙丙丁步骤一：加入肝脏培养液√√√√步骤二：