高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2章 细胞工程第2节 动物细胞工程一 动物细胞培养优质第1课时学案及答案

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[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
①
②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)×
解析 (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什么？用胃蛋白酶可以吗？为什么？
提示 说明细胞间的物质主要是蛋白质；不可以使用胃蛋白酶；因为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，而胰蛋白酶在此环境中活性较高，因此胃蛋白酶不适用于细胞培养时的处理。
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
1．(2023·重庆万州区高二调研)在进行动物细胞培养时，需要( )
A．用胃蛋白酶处理以获得单细胞悬液
B．充入5%CO2以刺激细胞正常呼吸
C．加入经高压蒸汽灭菌的血清以提供营养
D．定期更换培养液以清除代谢物
答案 D
解析 用胰蛋白酶或胶原蛋白酶等处理动物组织，以获得单细胞悬液，A错误；充入5%CO2的目的是维持培养液的pH，B错误；加入血清为动物细胞提供营养，高压蒸汽灭菌会破坏血清中的活性成分，C错误。
2．如图是动物细胞培养过程中可能出现的接触抑制现象，下列有关叙述错误的是( )
A．正常动物细胞培养过程中均会出现接触抑制现象
B．癌细胞无接触抑制因而培养时可形成多层细胞
C．出现接触抑制时细胞将停止分裂活动
D．出现接触抑制后需要用胰蛋白酶处理后才可进行传代培养
答案 A
解析 接触抑制是体外细胞培养时贴附型细胞生长的特性，悬浮型细胞不会出现接触抑制现象，A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\c1(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)干细胞都是来源于早期胚胎( )
(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)×
解析 (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。又由于人造器官是病人自身细胞经诱导分化形成的，所以可以避免免疫排斥反应。
3．(2023·河南郑州高二期中)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．肌萎缩性侧索硬化症即“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，不正确的是( )
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 B
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。

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pH
D．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．(2023·广东广州高二月考)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pH
D．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．(2023·黑龙江大庆高二期中)用动植物体的体细胞进行离体培养，下列叙述正确的是( )
A．都需要用含O2和CO2的混合气体的培养箱
B．都需要用液体培养基
C．都要在无菌条件下进行
D．都可体现细胞的全能性
答案 C
解析 植物组织培养不需要用含O2和CO2的混合气体的培养箱，A错误；植物组织培养的培养基为固体培养基，B错误；动物细胞培养的原理是细胞增殖，不能体现细胞的全能性，D错误。
题组二 动物细胞培养的过程
4．动物细胞培养过程的顺序是( )
①原代培养 ②传代培养 ③胰蛋白酶等处理组织，形成分散的细胞
A．①②③ B．①③② C．②①③ D．③①②
答案 D
解析 动物细胞培养的过程：首先用胰蛋白酶等处理动物组织并制成细胞悬液，然后进行原代培养和传代培养。
5．(2023·江苏无锡高二检测)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 D
6．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，此过程的细胞能保持正常的二倍体核型
D．丁过程属于传代培养，此过程大多数细胞会发生突变，朝着癌细胞方向发展
答案 D
解析 丁过程是传代培养，该过程少数细胞遗传物质发生了改变而失去贴壁黏附性，朝着癌细胞方向发展，D错误。
题组三 干细胞培养及其应用
7．成体干细胞不包括下列哪种细胞( )
A．骨髓中的造血干细胞
B．神经系统中的神经干细胞
C．睾丸中的精原干细胞
D．由成纤维细胞诱导而成的iPS细胞
答案 D
8．(2023·吉林四平高二期末)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．为了初步检测药物X和Y的抗癌活性，在细胞培养板的每个孔中加入相同数量的肝癌细胞，使其贴壁生长，实验组加入等体积相同浓度的溶于二甲基亚砜(溶剂)的药物X或Y，对照组中也加入了一定的溶液，培养过程及结果如图所示。下列有关叙述错误的是( )
实验结果
A.对照组和实验组均设置了三个孔，可以减少实验误差
B．可用胰蛋白酶处理使肝癌细胞脱落下来并进行计数
C．对照组中加入的溶液是和实验组等体积的无菌蒸馏水
D．根据实验结果，可以初步判断药物X的抗癌效果较好
答案 C
解析 对照组和实验组均设置了三个孔，符合平行重复原则，最终求每个组的平均值，可以减少实验误差，降低偶然因素对实验结果的影响，A正确；用胰蛋白酶处理可以使肝癌细胞间的蛋白质被分解，破坏细胞间的连接，可以获得游离的肝癌细胞并进行计数，B正确；根据单一变量原则可知，对照组中加入的溶液是和实验组等体积、相同浓度的无菌二甲基亚砜，以排除溶剂对实验结果的干扰，C错误；根据实验结果可知，最终细胞的数量：对照组＞药物Y实验组＞药物X实验组，说明加入药物X的实验组存活的癌细胞数是最少的，即可以初步判断药物X的抗癌效果较好，D正确。
10．(2023·河北石家庄高二期中)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Oct4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分化
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 C
解析 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。
11．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，不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 A
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；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；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。
12．一名婴儿在出生后医院为他保留了脐带血，在他以后生长发育过程中如果出现了某种难以治疗的疾病，就可以利用脐带血中的干细胞进行治疗。下列关于这个实例的说法正确的是( )
A．用干细胞培育出人体需要的组织或器官用来移植治病，需要激发细胞的全能性
B．用脐带血中的干细胞能治疗这个孩子所有的疾病
C．如果要移植用他的干细胞培育出的器官，需要用到细胞培养技术
D．如果要移植用他的干细胞培育出的器官，应该长期给他使用免疫抑制药物
答案 C
解析 脐带血中含有大量未成熟的造血干细胞，将脐带血细胞移植，对白血病、再生障碍性贫血等恶性血液病的治疗具有很好的效果；而用干细胞培育出人体需要的器官用来移植治疗，只要诱导细胞分化成需要的组织或器官即可，不需要激发其全能性；用干细胞培育出的器官移植属于自体移植，基本不会发生免疫排斥反应，不需要给他使用免疫抑制药物。
13．某生物兴趣小组对一种抗癌新药进行实验时，以动物肝癌细胞为材料，测定抗癌药物对体外培养细胞增殖的影响。请回答下列有关动物细胞培养的问题：
(1)在动物细胞培养时，将细胞所需的营养物质按其种类和所需量严格配制而成的培养基称为 培养基。细胞培养应在含5%CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是 。另外，还应该保证被培养的细胞处于 、 的环境。
(2)在细胞生长过程中，当细胞贴壁生长到一定程度时，其生长会受到抑制，这种现象称为
。
(3)请你帮助该兴趣小组的同学分析本实验，实验的自变量是 ，实验组和对照组除了自变量不同外，其他处理均应该相同，这是为了遵循实验设计的 原则。
答案 (1)合成 维持培养液的pH 无菌 无毒
(2)接触抑制 (3)是否加入抗癌药物 单一变量
解析 (1)动物细胞培养所需的气体中有CO2，CO2的作用是维持培养液的pH。被培养的细胞必须处于无菌、无毒的环境中，才能保证细胞正常地生长增殖。(3)本实验的目的是要测定抗癌药物对体外培养细胞增殖的影响，故实验的自变量为抗癌药物的有无，其他无关变量应该相同且适宜，否则会干扰实验结果，这种设计遵循的是实验的单一变量原则。
14．(2023·上海徐汇区高二期中)科学家仅使用小分子化合物的组合对体细胞进行处理，成功地将已高度分化的小鼠成纤维上皮细胞诱导成多潜能干细胞，并将其命名为诱导多能干细胞(iPS细胞)。如图是利用iPS细胞对镰状细胞贫血小鼠进行基因治疗的技术流程。请据图回答问题：
(1)从小鼠体内获得成纤维上皮细胞后，对其进行的初次培养称为 。
(2)胚胎干细胞存在于 中，具有分化为成年动物体内的 的细胞，并进一步形成机体的 甚至 的潜能。
(3)配制培养液时，通常需要在合成培养基的基础上添加动物血清等一些天然成分，目的是
。
(4)iPS细胞的诱导成功具有重要的医学价值，又因为诱导过程无须 ，而且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 ，所以科学家普遍认为iPS细胞的应用前景优于胚胎干细胞。
答案 (1)原代培养 (2)早期胚胎 任何一种类型 所有组织和器官 个体 (3)补充细胞所需的未知的营养物质 (4)破坏胚胎 免疫排斥反应项目
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
组别
细胞个数(个/孔)
对照
7.8×106
药物X
6.7×104
药物Y
5.3×105