2024年高中生物新教材同步選擇性必修第三冊 第2章 第2節(jié) 第1課時 動物細胞培養(yǎng)

第2節(jié)動物細胞工程第1課時動物細胞培養(yǎng)[學習目標]1.闡明動物細胞培養(yǎng)的條件和過程。2.簡述干細胞在生物醫(yī)學工程中有廣泛的應用價值。一、動物細胞培養(yǎng)的條件和過程1．動物細胞工程(1)常用技術：動物細胞培養(yǎng)、動物細胞融合和動物細胞核移植等。(2)基礎：動物細胞培養(yǎng)。2．動物細胞培養(yǎng)(1)概念：從動物體中取出相關的組織，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。(2)培養(yǎng)條件①營養(yǎng)a．合成培養(yǎng)基：將細胞所需的營養(yǎng)物質(糖類、氨基酸、無機鹽、維生素等)按種類和所需量嚴格配制而成的培養(yǎng)基。b．天然成分：使用合成培養(yǎng)基時，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細胞所需的營養(yǎng)物質。c．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。b．在無菌環(huán)境下進行操作。c．培養(yǎng)液需定期更換，以便清除代謝物，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a．溫度：以36.5℃±0.5℃為宜。b．pH：以pH為7.2～7.4為宜。c．適宜的滲透壓。④氣體環(huán)境a．組成：動物細胞培養(yǎng)所需氣體主要有O2和CO2。b．不同氣體的作用O2：是細胞代謝所必需的。CO2：維持培養(yǎng)液的pH。c．培養(yǎng)容器：通常采用培養(yǎng)皿或松蓋培養(yǎng)瓶。d．培養(yǎng)儀器：含有95%空氣和5%CO2的混合氣體的CO2培養(yǎng)箱。(3)培養(yǎng)過程①②過程(4)相關概念①細胞貼壁：懸液中分散的細胞往往貼附在培養(yǎng)瓶的瓶壁上。②接觸抑制：當貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時，細胞通常停止分裂增殖的現(xiàn)象。③原代培養(yǎng)：指動物組織經(jīng)處理后的初次培養(yǎng)。④傳代培養(yǎng)：分瓶后的細胞培養(yǎng)。特別提醒區(qū)分兩種“培養(yǎng)”的關鍵是看用胰蛋白酶處理的對象。用胰蛋白酶對剪碎的動物組織進行處理，使其分散成單個細胞后進行培養(yǎng)，為原代培養(yǎng)；細胞培養(yǎng)過程中出現(xiàn)接觸抑制，用胰蛋白酶處理使其從瓶壁上脫離下來分散成單個細胞，然后再用離心法收集，之后，將收集的細胞制成細胞懸浸，分瓶培養(yǎng)，為傳代培養(yǎng)。判斷正誤(1)動物細胞培養(yǎng)體現(xiàn)了動物細胞的全能性()(2)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()(3)懸浮培養(yǎng)的細胞直接用離心法收集，貼壁細胞需要用胰蛋白酶等處理后再用離心法收集()(4)培養(yǎng)動物細胞的第一代(即第一次細胞增殖)被稱為原代培養(yǎng)()答案(1)×(2)×(3)√(4)×解析(1)動物細胞培養(yǎng)未體現(xiàn)動物細胞的全能性，其原理是細胞增殖。(2)培養(yǎng)保留接觸抑制的細胞在培養(yǎng)瓶壁上可形成單層細胞。(4)原代培養(yǎng)指動物組織經(jīng)處理后的初次培養(yǎng)，不一定是第一次細胞增殖。任務一：動物細胞培養(yǎng)1．動物細胞培養(yǎng)的原理是細胞增殖。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和分化程度低的細胞更易培養(yǎng)。原因是這些細胞分裂能力強。3．進行動物細胞傳代培養(yǎng)時用胰蛋白酶分散細胞，說明細胞間的物質主要是什么？用胃蛋白酶可以嗎？為什么？提示說明細胞間的物質主要是蛋白質；不可以使用胃蛋白酶；因為多數(shù)動物細胞生存的適宜pH為7.2～7.4，胃蛋白酶(適宜pH為1.5左右)在此環(huán)境中沒有活性，而胰蛋白酶在此環(huán)境中活性較高，因此胃蛋白酶不適用于細胞培養(yǎng)時的處理。4．“細胞增殖到互相接觸的時候，糖蛋白識別了這種信息，就會使細胞停止分裂增殖，出現(xiàn)接觸抑制的現(xiàn)象”。試結合上述解釋，舉例說明哪種細胞無接觸抑制現(xiàn)象，并闡述原因。提示癌細胞；癌細胞的細胞膜上的糖蛋白等物質減少。1．動物細胞培養(yǎng)的相關處理(1)使細胞分散開的原因：一是能保證細胞所需要的營養(yǎng)供應；二是能保證細胞內(nèi)有害代謝物的及時排出。(2)使用胰蛋白酶時，要控制好作用時間，因為胰蛋白酶不僅能分解細胞間的蛋白質，長時間作用還會分解細胞膜蛋白等，對細胞造成損傷。(3)動物細胞的整個培養(yǎng)過程中可能多次用到胰蛋白酶或膠原蛋白酶，第一次使用的目的是使組織細胞分散開；貼壁細胞傳代培養(yǎng)時使用的目的是使細胞從瓶壁上脫離下來，分散成單個細胞，便于分瓶后繼續(xù)培養(yǎng)。(4)在進行傳代培養(yǎng)時，懸浮培養(yǎng)的細胞直接用離心法收集，貼壁細胞需要用胰蛋白酶處理，使之分散成單個細胞，再用離心法收集。2．動物細胞培養(yǎng)與植物組織培養(yǎng)的比較項目動物細胞培養(yǎng)植物組織培養(yǎng)理論基礎細胞增殖植物細胞的全能性培養(yǎng)前處理無菌；用機械的方法或用胰蛋白酶、膠原蛋白酶等處理，將組織分散成單個細胞無菌、離體取材動物胚胎或出生不久的幼齡動物的器官或組織植物幼嫩的部位或花藥等培養(yǎng)基性質液體固體培養(yǎng)基成分糖類、氨基酸、無機鹽、維生素和動物血清等水、礦質元素、蔗糖、維生素、植物激素和瓊脂等結果細胞培養(yǎng)產(chǎn)生大量細胞，不形成新個體可產(chǎn)生新個體應用人造皮膚的構建、動物分泌蛋白的規(guī)?；a(chǎn)快速繁殖、作物脫毒、細胞產(chǎn)物的工廠化生產(chǎn)和單倍體育種等相同點①都需人工條件下的無菌操作；②都需要適宜的溫度、pH等條件；③都進行有絲分裂，都不涉及減數(shù)分裂1．(2023·重慶萬州區(qū)高二調(diào)研)在進行動物細胞培養(yǎng)時，需要()A．用胃蛋白酶處理以獲得單細胞懸液B．充入5%CO2以刺激細胞正常呼吸C．加入經(jīng)高壓蒸汽滅菌的血清以提供營養(yǎng)D．定期更換培養(yǎng)液以清除代謝物答案D解析用胰蛋白酶或膠原蛋白酶等處理動物組織，以獲得單細胞懸液，A錯誤；充入5%CO2的目的是維持培養(yǎng)液的pH，B錯誤；加入血清為動物細胞提供營養(yǎng)，高壓蒸汽滅菌會破壞血清中的活性成分，C錯誤。2．如圖是動物細胞培養(yǎng)過程中可能出現(xiàn)的接觸抑制現(xiàn)象，下列有關敘述錯誤的是()A．正常動物細胞培養(yǎng)過程中均會出現(xiàn)接觸抑制現(xiàn)象B．癌細胞無接觸抑制因而培養(yǎng)時可形成多層細胞C．出現(xiàn)接觸抑制時細胞將停止分裂活動D．出現(xiàn)接觸抑制后需要用胰蛋白酶處理后才可進行傳代培養(yǎng)答案A解析接觸抑制是體外細胞培養(yǎng)時貼附型細胞生長的特性，懸浮型細胞不會出現(xiàn)接觸抑制現(xiàn)象，A錯誤。二、干細胞培養(yǎng)及其應用1．來源：早期胚胎、骨髓和臍帶血等多種組織和器官中。2．類型：胚胎干細胞和成體干細胞等。3．胚胎干細胞(簡稱ES細胞)(1)概念：存在于早期胚胎中，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。(2)局限：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)學上的應用。(3)成果：目前科學家已經(jīng)分離了兔、牛、猴和人等的ES細胞，并證明了ES細胞可以在體外分化成心肌細胞、神經(jīng)元和造血干細胞等細胞。4．成體干細胞(1)概念：成體組織或器官內(nèi)的干細胞。(2)類型eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(骨髓中的造血干細胞,神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)干細胞,睪丸中的精原干細胞))(3)特點：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。(4)作用：有著自我更新能力及分化潛能的干細胞，與組織、器官的發(fā)育、再生和修復等密切相關。(5)應用①造血干細胞：治療白血病及一些惡性腫瘤放療或化療后引起的造血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)功能障礙等疾病。②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(如帕金森病、阿爾茨海默病等)。5．誘導多能干細胞(1)概念：通過體外誘導成纖維細胞等，獲得類似胚胎干細胞的一種細胞，被稱為誘導多能干細胞(簡稱iPS細胞)。(2)應用：治療小鼠的鐮狀細胞貧血；用iPS細胞治療阿爾茨海默病、心血管疾病等領域的研究也取得了新進展。(3)優(yōu)點：誘導過程無須破壞胚胎；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。(4)制備方法：借助載體將特定基因導入細胞中，直接將特定蛋白導入細胞中或者用小分子化合物等來誘導形成iPS細胞。(5)來源：成纖維細胞、已分化的T細胞、B細胞等。判斷正誤(1)干細胞都是來源于早期胚胎()(2)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，可以避免免疫排斥反應()(3)不同類型的干細胞，它們的分化潛能完全相同()答案(1)×(2)√(3)×解析(1)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。(3)不同類型的干細胞，它們的分化潛能是有差別的，如胚胎干細胞的分化潛能大于成體干細胞。任務二：誘導多能干細胞如圖為iPS細胞的培養(yǎng)和利用過程，請據(jù)圖回答問題：(1)1→2過程的實質是什么？提示基因的選擇性表達。(2)誘導多能干細胞用于治療人類的某些頑癥的原理是什么？提示誘導多能干細胞可以被誘導分化形成新的組織細胞，經(jīng)移植可使壞死或退化部位得以修復并恢復正常功能。(3)誘導多能干細胞為什么可以解決供體器官不足和器官移植后免疫排斥的問題？提示通過干細胞體外誘導分化，可以培育出人造器官，從而解決供體器官不足的問題。又由于人造器官是病人自身細胞經(jīng)誘導分化形成的，所以可以避免免疫排斥反應。3．(2023·河南鄭州高二期中)研究人員研究肥胖機理時發(fā)現(xiàn)了一種與脂肪細胞的分化形成有關的蛋白質M，其細胞分化過程如圖所示。下列有關敘述錯誤的是()A．已分化的細胞不可能繼續(xù)分化為其他類型的細胞B．肌肉細胞與脂肪細胞中均含控制蛋白質M合成的基因C．促進蛋白質M的合成是解決肥胖問題的一條途徑D．間充質細胞是一種成體干細胞，其分化過程具有組織特異性答案A解析已分化的細胞也可能繼續(xù)分化為其他類型的細胞，如人體的干細胞可分化為間充質細胞，間充質細胞又分化為肌肉細胞或脂肪細胞，A錯誤。4．肌萎縮性側索硬化癥即“漸凍癥”，該病病因之一是突變的基因導致有毒物質積累，使運動神經(jīng)元損傷。最新研究結果表明，利用誘導多能干細胞(iPS細胞)制作前驅細胞，然后移植給漸凍癥實驗鼠，能延長其壽命。下列關于誘導多能干細胞的敘述，不正確的是()A．iPS細胞分化的實質是基因的選擇性表達，細胞種類增多B．iPS細胞分化成的多種細胞中所有核酸均相同，蛋白質卻不完全相同C．若將突變的相關基因替換，或許可以起到治療該病的作用D．經(jīng)體外誘導產(chǎn)生造血干細胞，在小鼠骨髓中能夠增殖分化出B細胞答案B解析細胞分化形成的多種細胞中DNA相同，但mRNA不完全相同，蛋白質也不完全相同，B錯誤；B細胞是由造血干細胞增殖分化形成的，經(jīng)體外誘導產(chǎn)生的造血干細胞，在小鼠骨髓中能夠增殖分化出B細胞，D正確。題組一動物細胞培養(yǎng)的條件1．下列哪項條件不是動物細胞培養(yǎng)所需要的()A．無菌、無毒的環(huán)境B．充足的營養(yǎng)物質C．適宜的溫度和pHD．95%的空氣和5%的氧氣答案D解析動物細胞培養(yǎng)需要一定的氣體環(huán)境，95%的空氣和5%的CO2。2．(2023·廣東廣州高二月考)下列有關動物細胞培養(yǎng)的敘述，錯誤的是()A．培養(yǎng)過程中，應定期更換培養(yǎng)液，以便清除細胞代謝物B．為了防止培養(yǎng)過程中雜菌的污染，可向培養(yǎng)液中加入適量的干擾素C．培養(yǎng)過程中，添加CO2的目的是維持培養(yǎng)液的pHD．通常需要在合成培養(yǎng)基中加入血清等天然成分答案B解析為了防止培養(yǎng)過程中雜菌的污染，可向培養(yǎng)液中加入適量的抗生素，B錯誤。3．(2023·黑龍江大慶高二期中)用動植物體的體細胞進行離體培養(yǎng)，下列敘述正確的是()A．都需要用含O2和CO2的混合氣體的培養(yǎng)箱B．都需要用液體培養(yǎng)基C．都要在無菌條件下進行D．都可體現(xiàn)細胞的全能性答案C解析植物組織培養(yǎng)不需要用含O2和CO2的混合氣體的培養(yǎng)箱，A錯誤；植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基為固體培養(yǎng)基，B錯誤；動物細胞培養(yǎng)的原理是細胞增殖，不能體現(xiàn)細胞的全能性，D錯誤。題組二動物細胞培養(yǎng)的過程4．動物細胞培養(yǎng)過程的順序是()①原代培養(yǎng)②傳代培養(yǎng)③胰蛋白酶等處理組織，形成分散的細胞A．①②③B．①③②C．②①③D．③①②答案D解析動物細胞培養(yǎng)的過程：首先用胰蛋白酶等處理動物組織并制成細胞懸液，然后進行原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)。5．(2023·江蘇無錫高二檢測)下列關于動物細胞培養(yǎng)的敘述，錯誤的是()A．用于培養(yǎng)的細胞大都取自胚胎或幼齡動物的器官或組織B．選用胰蛋白酶處理細胞時，可能會對動物細胞造成損傷C．傳代培養(yǎng)時，懸浮培養(yǎng)的細胞直接用離心法收集，無須再用酶處理D．體外培養(yǎng)的細胞既能貼壁生長又能懸浮生長，都會發(fā)生接觸抑制現(xiàn)象答案D6．實驗小鼠皮膚細胞培養(yǎng)的基本過程如圖所示。下列敘述錯誤的是()A．培養(yǎng)液中往往添加一定量抗生素，以防止培養(yǎng)過程被污染B．乙過程對皮膚組織可用胰蛋白酶或膠原蛋白酶等處理C．丙過程屬于原代培養(yǎng)，此過程的細胞能保持正常的二倍體核型D．丁過程屬于傳代培養(yǎng)，此過程大多數(shù)細胞會發(fā)生突變，朝著癌細胞方向發(fā)展答案D解析丁過程是傳代培養(yǎng)，該過程少數(shù)細胞遺傳物質發(fā)生了改變而失去貼壁黏附性，朝著癌細胞方向發(fā)展，D錯誤。題組三干細胞培養(yǎng)及其應用7．成體干細胞不包括下列哪種細胞()A．骨髓中的造血干細胞B．神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)干細胞C．睪丸中的精原干細胞D．由成纖維細胞誘導而成的iPS細胞答案D8．(2023·吉林四平高二期末)如圖為誘導多能干細胞(iPS細胞)用于治療糖尿病的示意圖，下列相關敘述錯誤的是()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iPS細胞分化的實質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外，已分化的T細胞和B細胞等均能被誘導為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答案B解析誘導iPS細胞分化的實質是基因的選擇性表達，B錯誤。9．為了初步檢測藥物X和Y的抗癌活性，在細胞培養(yǎng)板的每個孔中加入相同數(shù)量的肝癌細胞，使其貼壁生長，實驗組加入等體積相同濃度的溶于二甲基亞砜(溶劑)的藥物X或Y，對照組中也加入了一定的溶液，培養(yǎng)過程及結果如圖所示。下列有關敘述錯誤的是()實驗結果組別細胞個數(shù)(個/孔)對照7.8×106藥物X6.7×104藥物Y5.3×105A.對照組和實驗組均設置了三個孔，可以減少實驗誤差B．可用胰蛋白酶處理使肝癌細胞脫落下來并進行計數(shù)C．對照組中加入的溶液是和實驗組等體積的無菌蒸餾水D．根據(jù)實驗結果，可以初步判斷藥物X的抗癌效果較好答案C解析對照組和實驗組均設置了三個孔，符合平行重復原則，最終求每個組的平均值，可以減少實驗誤差，降低偶然因素對實驗結果的影響，A正確；用胰蛋白酶處理可以使肝癌細胞間的蛋白質被分解，破壞細胞間的連接，可以獲得游離的肝癌細胞并進行計數(shù)，B正確；根據(jù)單一變量原則可知，對照組中加入的溶液是和實驗組等體積、相同濃度的無菌二甲基亞砜，以排除溶劑對實驗結果的干擾，C錯誤；根據(jù)實驗結果可知，最終細胞的數(shù)量：對照組＞藥物Y實驗組＞藥物X實驗組，說明加入藥物X的實驗組存活的癌細胞數(shù)是最少的，即可以初步判斷藥物X的抗癌效果較好，D正確。10．(2023·河北石家莊高二期中)2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者發(fā)現(xiàn)，利用逆轉錄病毒將Oct4等4個關鍵基因導入已分化的體細胞中并表達，可使這個細胞成為類似干細胞的誘導A．由iPS細胞產(chǎn)生其他種類細胞的過程稱為細胞分化B．利用患者的iPS細胞對其自身受損器官進行修復，與傳統(tǒng)器官移植相比，成功率更高C．iPS細胞的增殖難以控制，具有衰老細胞的特征D．與ES細胞相比，iPS細胞用于再生醫(yī)學可回避倫理爭議答案C解析用該技術得到的新生器官替換供體病變器官，屬于自體移植，理論上可以不發(fā)生免疫排斥反應，可以大大提高器官移植的成功率，B正確；iPS細胞具有與干細胞相似的分化潛力，說明iPS細胞分化程度低，不易衰老，C錯誤；與ES細胞相比，iPS細胞的誘導過程無須破壞胚胎，因而用于再生醫(yī)學可以回避倫理爭議，D正確。11．動物細胞體外培養(yǎng)時，通常要在培養(yǎng)基中補充一定濃度的某些物質。如圖是血清對正常細胞和癌細胞培養(yǎng)影響的實驗結果，不能從該圖獲得的結論是()A．正常細胞與癌細胞的增殖速率相同B．有無血清對正常細胞培養(yǎng)的影響較大C．培養(yǎng)基中補充血清有助于正常細胞的培養(yǎng)D．培養(yǎng)基中是否補充血清對癌細胞的培養(yǎng)影響不大答案A解析分析圖中曲線可知，對癌細胞來說，相同培養(yǎng)時間內(nèi)，培養(yǎng)基中有無血清，其細胞數(shù)目相差不大，說明培養(yǎng)基中有無血清對癌細胞的培養(yǎng)影響不大；對正常細胞來說，在相同的培養(yǎng)時間內(nèi)，有血清的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的細胞數(shù)目遠遠多于沒有血清的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的細胞數(shù)目，說明有無血清對正常細胞的培養(yǎng)影響較大；在相同條件和相同的培養(yǎng)時間內(nèi)，癌細胞和正常細胞的數(shù)目差距較大，增殖速率不相同，正常細胞達到一定的數(shù)目后不再增加，而癌細胞卻能不斷增加。12．A．用干細胞培育出人體需要的組織或器官用來移植治病，需要激發(fā)細胞的全能性B．用臍帶血中的干細胞能治療這個孩子所有的疾病C．如果要移植用他的干細胞培育出的器官，需要用到細胞培養(yǎng)技術D．如果要移植用他的干細胞培育出的器官，應該長期給他使用免疫抑制藥物答案C解析臍帶血中含有大量未成熟的造血干細胞，將臍帶血細胞移植，對白血病、再生障礙性貧血等惡性血液病的治療具有很好的效果；而用干細胞培育出人體需要的器官用來移植治療，只要誘導細胞分化成需要的組織或器官即可，不需要激發(fā)其全能性；用干細胞培育出的器官移植屬于自體移植，基本不會發(fā)生免疫排斥反應，不需要給他使用免疫抑制藥物。13．某生物興趣小組對一種抗癌新藥進行實驗時，以動物肝癌細胞為材料，測定抗癌藥物對體外培養(yǎng)細胞增殖的影響。請回答下列有關動物細胞培養(yǎng)的問題：(1)在動物細胞培養(yǎng)時，將細胞所需的營養(yǎng)物質按其種類和所需量嚴格配制而成的培養(yǎng)基稱為培養(yǎng)基。細胞培養(yǎng)應在含5%CO2的恒溫培養(yǎng)箱中進行，CO2的作用是。另外，還應該保證被培養(yǎng)的細胞處于、的環(huán)境。(2)在細胞生長過程中，當細胞貼壁生長到一定程度時，其生長會受到抑制，這種現(xiàn)象稱為。(3)請你幫助該興趣小組的同學分析本實驗，實驗的自變量是，實驗組和對照組除了自