第2章　细胞工程\n第2节　动物细胞工程\n课标要求核心素养1．理解动物细胞培养的条件并构建动物细胞培养的流程图。(科学探究)2．说明干细胞的种类和应用。(科学思维)3．阐明动物细胞融合和植物体细胞杂交的异同。(科学思维)4．结合单克隆抗体制备的实验方案，理解单克隆抗体的含义、特点、制备过程和应用。(科学探究)5．结合高产奶牛的克隆过程，掌握动物细胞核移植技术。(科学探究、生命观念)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。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。\n知识导图\n一　动物细胞培养\n学霸记忆•素养积累训练巩固•课堂达标新知预习•双基夯实课内探究•名师点睛指点迷津•拨云见日\n新知预习•双基夯实\n一、概念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__________，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞生长和______的技术。二、动物细胞培养的条件单个细胞增殖培养用具无菌培养液\n氨基酸无机盐血清、血浆36.5±0.5℃7.2～7.4O2pH\n三、动物细胞培养的过程\n1．悬浮生长：细胞悬浮在培养液中生长增殖。密度过大时，由于____________积累和培养液中______________，细胞分裂受阻。2．细胞贴壁：多数细胞贴附在______上生长。3．接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面__________时，细胞______________的现象称为细胞的接触抑制。4．原代培养：指动物组织经处理后的__________。5．传代培养：分瓶后的细胞培养。传代培养时，悬浮生长的细胞直接用______法收集；贴壁生长的细胞要先用__________等处理，再用______法收集。有害代谢物营养物质缺乏瓶壁相互接触停止分裂生长初次培养离心胰蛋白酶离心\n四、干细胞的培养及其应用1．干细胞功能：在一定条件下，可以分化成________________。2．干细胞的存在：__________、______和________等多种组织和器官中。3．干细胞的种类其他类型的细胞早期胚胎骨髓脐带血早期胚胎所有组织器官个体\n造血干细胞神经干细胞精原干细胞特定的细胞或组织完整个体体细胞免疫排斥反应\n1．多数动物细胞培养过程中其培养液所需的适宜pH为6.8～7.0。()2．动物细胞培养要定期更换培养液，其目的是便于清除代谢物，防止代谢物积累对细胞自身造成伤害。()3．动物细胞培养技术的原理是动物细胞的全能性。()活学巧练×√×\n4．制备肝细胞悬液时先用剪刀剪碎肝组织，再用胃蛋白酶处理。()5．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。()6．培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。()×××\n思考：1．动物细胞培养过程中有接触抑制现象，这一现象说明了细胞膜具有什么功能？细胞膜接受信息后，细胞停止分裂又说明了什么？提示：细胞培养过程中的接触抑制说明了细胞膜能进行细胞间的信息交流。细胞膜接受信息后，细胞停止分裂，说明了细胞膜接受的信息能够传递到细胞核。\n2．根据癌细胞的特点，思考一下培养的癌细胞有没有接触抑制现象。提示：癌细胞细胞膜上糖蛋白减少，细胞的黏着性降低，在适宜的条件下可以无限增殖，因此培养的癌细胞无接触抑制现象，在培养瓶中能够生长成多层。\n3．动物细胞培养和植物组织培养的目的有什么不同？提示：动物细胞培养是为了获得大量的动物细胞或细胞产物；植物组织培养是为了获得新个体或细胞产物。4．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：诱导多能干细胞具有发育的全能性，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。\n5．诱导多能干细胞为什么可以解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题？提示：通过干细胞体外诱导分化，可以培育出人造器官，从而解决供体器官不足的问题。另一方面，由于是自身细胞经诱导分化形成的，所以无免疫排斥反应。\n学霸记忆•素养积累\n1．动物细胞培养的培养基为液体培养基，含有糖类、氨基酸、无机盐、维生素等成分，还要加入血清等天然成分。2．培养动物细胞的CO2培养箱中含有95%的空气和5%的CO2。3．原代培养和传代培养均需用胰蛋白酶处理使其分散成单个细胞。4．培养的动物细胞有贴壁生长和接触抑制现象。5．干细胞包括胚胎干细胞和成体干细胞。6．体细胞经体外诱导能够形成类似胚胎干细胞的诱导多能干细胞。\n课内探究•名师点睛\n知识点1．动物细胞培养过程分析(1)培养流程动物细胞培养的条件和过程\n(2)酶处理①用酶“两次”处理的目的：第一次使用的目的是使组织细胞分散开；第二次使用的目的是使细胞从瓶壁上脱离下来，分散后继续培养。②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。③不能用胃蛋白酶处理：由于大多数动物细胞培养的适宜pH为7.2～7.4，而胃蛋白酶发挥作用的最适pH为2.0左右，因此不能用胃蛋白酶使细胞分散开。\n(3)原代培养和传代培养：区分两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象①第一次：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。②第二次：细胞培养过程中出现接触抑制，用胰蛋白酶使其从瓶壁上脱离下来，然后，将其分散到多个培养瓶中继续培养，为传代培养。\n2．动物细胞培养与植物组织培养的比较比较项目动物细胞培养植物组织培养生物学原理细胞增殖细胞全能性培养基性质液体固体培养结果子代细胞新的植株应用人造皮肤的构建、动物分泌蛋白的规模化生产等(1)快速繁殖(2)作物脱毒(3)培育作物新品种(4)细胞产物的工厂化生产\n培养条件无菌、适宜的温度和pH等取材新鲜的组织植物器官、组织或细胞培养对象分散的单个细胞离体的植物器官、组织或细胞过程原代培养、传代培养脱分化、再分化细胞分裂、生长、分化特点(1)贴壁生长(2)接触抑制(1)脱分化：形成愈伤组织(2)再分化：形成根、芽等\n3．培养条件的分析(1)添加血清的作用：血清中含有多种维持细胞正常代谢和生长的物质，如蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等。细胞培养时，一般需添加10%～20%的血清。(2)气体环境：CO2维持培养液的pH，O2维持细胞有氧呼吸。\n1．培养动物细胞时没有脱分化的过程，因为高度分化的动物细胞发育潜能变窄，失去了发育成完整个体的能力。2．不是所有的细胞增殖过程中都存在接触抑制。例如，癌细胞增殖时不存在接触抑制，所以在培养瓶中可以形成多层细胞。\n一般来说，动物细胞体外培养需要满足以下条件()①无毒、无菌的环境②适宜的渗透压③合成培养基需加血清等④温度与动物体温相近⑤需要O2，不需要CO2A．①②③④⑤B．①②③④C．①③④⑤D．①②④⑤解析：动物细胞培养需要的气体环境是95%空气和5%CO2，其中5%CO2能调节培养液的pH，⑤错误。典例1典例剖析B\n1．下图为肾脏上皮细胞培养过程示意图，下列叙述不正确的是()A．甲→乙过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理B．丙过程指细胞在添加血清的合成培养基中进行原代培养C．丙和丁过程均会出现细胞贴壁和接触抑制现象D．丁过程是传代培养的细胞，该过程体现了动物细胞的全能性变式训练D\n解析：甲→乙是组织细胞的分离，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶分解细胞间蛋白质，制备细胞悬液，A项正确；丙过程还未分瓶，属于原代培养，培养基中需要添加血清，B项正确；在动物细胞培养过程中会出现细胞贴壁和接触抑制的现象，C项正确；丁过程已经分瓶培养，属于传代培养，丁过程并没有体现动物细胞的全能性，D项错误。\n知识点1．三种干细胞的比较干细胞培养及其应用比较项目胚胎干细胞成体干细胞诱导多能干细胞来源早期胚胎成体组织或器官中诱导高度分化的组织细胞形成特点具有分化成为成年动物体内的任何一种类型的细胞，进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能具有组织特异性，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诱导过程无须破坏胚胎，不涉及伦理问题，且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\n2．干细胞的应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，因而在医学上有着广泛的应用。例如，将正常的造血干细胞移植到病人体内，恢复病人的造血和免疫功能，已成为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的一种重要手段；神经干细胞在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)方面有重要的应用价值。\n高等动物随着胚胎发育，仅有少数细胞依然具有分化成其他类型细胞和构建组织器官的能力，这类细胞称为干细胞，如造血干细胞。图中最能完整显示正常机体内干细胞基本特征的是()解析：干细胞可以分裂产生新的干细胞，也可以分化形成具有特定功能的细胞，且分化一般不可逆。典例2典例剖析D\n2．骨髓移植是治疗白血病常用的有效方法之一，最主要的原因是移植骨髓中的造血干细胞可在患者体内()A．正常生长B．增殖并分化成多种血细胞C．分泌抗体D．杀死各种病原菌解析：治疗白血病时，骨髓移植的目的是产生正常的白细胞，干细胞具有自我复制和多向分化的潜能，可增殖并分化成多种血细胞，所以B符合题意。变式训练B\n造血干细胞的分化\n指点迷津•拨云见日\n动物细胞培养过程中的几组概念辨析1．原代培养与传代培养(1)通常将动物组织经处理后的初次培养称为原代培养。即将要培养的动物组织取出后，先用胰蛋白酶等处理使组织分散成单个细胞，配制成一定浓度的细胞悬浮液，再将该悬浮液放入培养瓶中培养。(2)培养后贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，使细胞从瓶壁上脱离下来，然后配制成细胞悬浮液，分装到两个或两个以上的培养瓶中继续培养，让细胞继续增殖，这样的培养过程通常称为传代培养。【注意】传代培养过程中需要定期用胰蛋白酶处理。\n(3)原代培养与传代培养的区别在于培养的初始细胞来源不同：原代培养的初始细胞直接来自动物组织，而传代培养的初始细胞来自培养后贴满瓶壁的细胞。\n2．细胞株和细胞系(1)细胞株：原代培养细胞传至10代左右就不容易传下去，细胞生长停滞，大部分细胞衰老死亡，少数细胞能存活，传到40～50代，这部分细胞称为细胞株，遗传物质不改变。(2)细胞系：细胞株传到50代左右不能再继续传代，部分细胞遗传物质改变，具有癌变细胞的特点，可以在培养条件下无限制地传代下去，这部分细胞称为细胞系，遗传物质发生改变。\n下列关于细胞株与细胞系的叙述，不正确的是()A．动物细胞培养前要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使细胞分散开来B．通常将动物组织细胞消化后的初次培养称为原代培养C．细胞的癌变通常发生在原代培养向传代培养的过渡过程中D．传代培养的细胞在传至10～50代左右时，部分细胞的核型可能发生变化典例3典例剖析C\n解析：动物细胞培养前要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使细胞分散开来，A项正确；通常将动物组织细胞消化后的初次培养称为原代培养，B项正确；细胞的癌变发生于传代培养的过程中，C项错误；传代培养的细胞在传至10～50代左右时，部分细胞的核型可能发生变化，D项正确。\n解疑答惑从社会中来⇨P43提示：借助动物细胞培养技术构建人造皮肤。具体操作为取病人健康皮肤，用胰蛋白酶、胶原蛋白酶将它分散成单个细胞，制成细胞悬液，然后在适宜的条件下，让这些细胞生长、增殖，获得大量自体健康皮肤。\n不能用单个细胞培养出可供移植的皮肤。单个细胞的增殖是有限的，动物细胞培养过程中，传代培养的细胞一般传至10代后就不易传下去了，一般来说，细胞在传至10～50代时，增殖会逐渐缓慢，直至完全停止。这时部分细胞的细胞核型可能会发生变化，少数细胞会朝着等同于癌细胞的方向发展。目前使用的细胞通常为10代以内的细胞，以保持细胞正常的二倍体核型。\n旁栏思考⇨P44提示：说明细胞间的物质主要是蛋白质。用胃蛋白酶不行，动物细胞培养的适宜pH为7.2～7.4，而胃蛋白酶发挥作用的最适pH为2.0左右，因此不能用胃蛋白酶使细胞分散开。\n思考·讨论⇨P451．提示：幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞更易于培养。因为幼龄动物的细胞和分化程度低的细胞生命力旺盛，分裂能力强。2．提示：相同之处：(1)培养过程中细胞都进行有丝分裂，都不涉及减数分裂。(2)都存在细胞培养过程。(3)均为无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件。\n不同之处：(1)植物组织培养的结果是形成完整的植株，而动物细胞培养的目的是获得细胞或细胞产物，不是获得完整个体，其过程不能体现细胞的全能性。(2)动物细胞培养用的是液体培养基，通常需要特别添加一定量的动物血清或血浆等，可以为细胞提供营养物质和生长因子。植物组织培养用的是固体(或半固体)培养基，需要特别添加生长素和细胞分裂素等。(3)动物细胞培养过程中不经过脱分化的过程。\n练习与应用⇨P47一、概念检测1．(1)×提示：培养环境中需要CO2维持培养液的pH。(2)×提示：动物细胞培养不需要脱分化。(3)√(4)√提示：细胞培养过程中会出现接触抑制现象而停止分裂增殖，故培养瓶中的细胞需定期用胰蛋白酶处理。2．A提示：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。\n二、拓展应用(1)提示：像建立骨髓库一样，有研究团队正在尝试建立HLA(HumanLeukocyteAntigen，人类白细胞抗原)多态性丰富的iPS细胞库，可以为需要的人找到HLA匹配度较高的iPS细胞，这样不仅可以节省时间、成本，还能减轻异体干细胞移植后发生的免疫排斥反应。\n(2)提示：该技术可能被用于治疗不孕症；获得足够量的生殖细胞来进行濒危物种的克隆研究；获得生殖细胞进行转基因操作，再经过受精、胚胎发育等过程来获得转基因动物。该技术可能带来一系列的伦理问题。例如，如果用同一个人的iPS细胞分别诱导形成精子和卵子，两者受精可能培育出“单亲”婴儿；有的人还可能有目的地选择iPS细胞，从而“设计”婴儿。\n训练巩固•课堂达标\n1．进行动物细胞培养时，最好选用的培养材料是()A．衰老退化的动物组织细胞B．成熟动物个体的体细胞C．动物的卵细胞D．健康动物胚胎或幼龄动物个体的体细胞解析：健康动物胚胎或幼龄动物个体的体细胞分裂能力强，而衰老退化的动物组织细胞、成熟动物个体的体细胞分裂能力差，一般不用作动物细胞培养的培养材料。D\n2．帕金森病是由于大脑某个部位的脑细胞受损，而使其相应的功能丧失导致的。若用胚胎干细胞移植治疗该病病人，应该是()A．将胚胎干细胞直接植入病变部位B．将胚胎干细胞通过血液输送到病变部位C．将胚胎干细胞定向诱导为相应的神经元来替代受损的脑细胞D．将胚胎干细胞定向诱导为脑细胞，通过血液输送到受损部位解析：胚胎干细胞具有多向分化的潜能，可以分化为各种细胞、组织，甚至器官。用胚胎干细胞治疗疾病应将胚胎干细胞定向诱导为相应的细胞或组织，移植替换病变部位的细胞或组织。C\n3．动物细胞培养要处于无菌、无毒的环境中，下列操作与其无关的是()A．对培养液和培养用具进行无菌处理B．在培养液中添加一定量的抗生素C．定期更换培养液，防止代谢产物积累D．向培养液中添加促生长因子等成分D\n解析：对培养液和培养用具进行无菌处理，可以为动物细胞培养提供无菌环境，A正确；在培养液中添加一定量的抗生素可以杀灭细菌，为动物细胞培养提供无菌环境，B正确；定期更换培养液，防止代谢产物积累对细胞造成危害，C正确；向培养液中添加促生长因子等成分可以促进微生物生长、发育和繁殖，不能为动物细胞培养创造无菌、无毒的环境，D错误。\n4．(不定项)课外小组欲在体外完成宫颈癌细胞的培养，相关描述正确的是()A．体外培养条件应模拟细胞生长的内环境条件B．定期更换培养液可及时为细胞补充营养C．CO2培养箱提供的CO2可促进细胞呼吸D．培养液需含有葡萄糖、氨基酸、无机盐、生长素和动物血清等AB\n解析：动物细胞培养通常需加入血清、血浆等一些天然成分，模拟细胞生长的内环境条件，A正确；定期更换培养液可及时为细胞补充营养，并清除代谢产物，B正确；加入CO2的主要作用是维持培养液的pH，C错误；培养液需含有葡萄糖、氨基酸、无机盐和动物血清等，不需要加入生长素，并且生长素属于植物激素，D错误。\n5．下图为动物细胞培养的基本过程示意图，请回答下列问题：(1)容器A中放入的一般是健康幼龄动物的器官或组织，原因是其细胞____________、易于培养。培养时要用胰蛋白酶分散细胞，胰蛋白酶的处理时间不能过长，原因是________________________________。(2)将B瓶中的细胞悬液转入C瓶进行的初次培养称为__________。动物细胞培养需要提供O2和CO2等气体环境，CO2的作用主要是________________。分裂能力强胰蛋白酶会分解细胞的其他蛋白质原代培养维持培养液的pH\n(3)下图表示血清对正常细胞和癌细胞培养影响的实验结果。①据图可知，有无添加血清对培养______细胞的影响较大。②在探究物质X对正常细胞增殖的影响时，必须采用有血清培养，据图分析原因是____________________________________________________________________________________________________。正常人们对细胞所需营养物质还没完全搞清楚，正常细胞培养的合成培养基通常都需要加入血清等一些天然成分\n解析：(1)动物细胞培养就是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。由于健康幼龄动物的器官或组织的细胞分裂能力强、易于培养，所以容器A中放入的一般是健康幼龄动物的器官或组织。胰蛋白酶能催化蛋白质水解，培养时若用胰蛋白酶分散细胞的处理时间过长，则胰蛋白酶会分解细胞的其他蛋白质，因此胰蛋白酶的处理时间不能过长。(2)将B瓶中的细胞悬液转入C瓶进行的初次培养称为原代培养。适宜的气体环境是动物细胞培养的条件之一，其中CO2的作用主要是维持培养液的pH。\n(3)①分析曲线图可知，随着培养时间的延长，相同培养时间内，有血清组的癌细胞数目略高于无血清组，但有血清组的正常细胞数目却明显高于无血清组，说明有无添加血清对培养正常细胞的影响较大。②在探究物质X对正常细胞增殖的影响时，需采用动物细胞培养技术来培养正常细胞。曲线图显示，添加血清更有利于正常细胞的增殖，而对癌细胞增殖的影响不大。由于人们对细胞所需营养物质还没完全搞清楚，所以培养正常细胞的合成培养基通常都需要加入血清等一些天然成分。