高中生物人教版 (2019)选择性必修3动物细胞培养学案

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3动物细胞培养学案，共12页。学案主要包含了动物细胞培养的条件，动物细胞培养的过程，干细胞培养及其应用等内容，欢迎下载使用。
学习目标
1.理解动物细胞培养的原理和条件，掌握干细胞的类型及其应用，形成结构与功能相统一的观念。（生命观念）
2.通过资料分析和问题探讨，培养推理、归纳和批判性思维。（科学思维）
3.通过任务驱动，探究动物细胞培养的条件、过程及应用，提升设计实验及分析实验结果的能力。（生命观念、科学探究）
4.通过讨论干细胞应用中的伦理问题，增强对生物技术应用的理性认识，培养社会责任感。（社会责任）
自主预习
一、动物细胞培养的条件
1.动物细胞培养的概念：动物细胞培养是指从动物体中取出 ，将它分散成 ，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞 和 的技术。
2.动物细胞培养的原理是什么？条件是什么？
二、动物细胞培养的过程
1.体外培养的细胞可以分为哪两种类型？
2.如何区分原代培养和传代培养？
3.你认为所有动物细胞都可以无限增殖吗？为什么？传代培养是否会影响细胞的基因稳定性？请解释。
三、干细胞培养及其应用
1.干细胞的种类：干细胞存在于 、 和 等多种组织和器官中，包括 和 等。
2.不同类型的干细胞，它们的分化潜能完全相同吗？
3.iPS细胞为什么理论上可以避免免疫排斥反应？
知识链接：CO2在动物细胞培养中的作用：
1. 维持培养液的pH稳定：动物细胞培养需要在微碱性环境中进行，pH通常在7.2～7.4之间。CO2与培养基中的碳酸氢钠构成缓冲系统，来维持培养液的pH。
2. 模拟体内生理环境：CO₂培养箱中的气体环境（通常为95%空气和5%CO2的混合气体）更接近动物细胞在体内的自然环境，这种环境有助于细胞的正常生长、代谢和分化。
3. 支持细胞代谢和生长：CO2不仅是细胞代谢的产物，也是细胞生长的必需成分。在细胞培养过程中，适量的CO2有助于维持细胞代谢活动的平衡，促进细胞的生长和增殖。
课堂探究
任务一、动物细胞培养的条件和过程
请同学们阅读教材第43~45页，结合资料回答相关问题。
资料1：培养的细胞就像在体内生活的细胞一样，需要一些基本的营养物质和生长因子，如糖类、氨基酸、无机盐、维生素等。不同组织来源的细胞需要不同的生长因子，而且需求量也不同，所以必须精心设计这些成分的比例，并且一般要在培养基中加入血清等天然成分。
（1）进行动物细胞培养时，为什么要在培养基中加入血清等天然成分？
（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？
（3） 进行动物细胞传代培养时常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？
（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。这对医学研究有何启示？
【归纳总结】动物细胞培养与植物组织培养的比较
【迁移拓展】某生物实验室计划开展一项动物细胞培养实验，以研究细胞的增殖特性。然而在实验过程中，实验人员发现细胞生长缓慢，且部分细胞出现死亡现象。实验室负责人怀疑是细胞培养条件或操作过程存在问题。请同学们以小组为单位，分析可能的原因，并提出相应的改进措施。
任务二、干细胞的培养及其应用
请同学们阅读教材第46~47，结合资料回答相关问题。
资料1：胚胎干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是胚胎干细胞具有全能性，可以被诱导分化形成新的组织、器官甚至个体，可解决器官移植中的供体器官不足问题，但往往因伦理问题，其应用受到限制。
资料2：科学家已尝试采用多种方法来制备iPS细胞，包括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。iPS细胞最初是由成纤维细胞转化而来的，后来发现已分化的T细胞、B细胞等也能被诱导为iPS细胞。
(1)胚胎干细胞为什么可以解决供体器官不足的问题？其应用有什么限制？
(2)从病人体内提取成纤维细胞，将其转化成iPS细胞，经诱导后产生所需细胞，将所需细胞植入病人体内，这种技术的优点有哪些？与胚胎干细胞相比，它的应用是否存在局限性？

（3）诱导多能干细胞用于治疗人类的某些顽症的原理是什么？
【归纳总结】三种干细胞的比较
【迁移拓展】请结合干细胞培养及其应用的知识，写出利用iPS细胞治疗糖尿病（病因为胰岛B细胞不足）的简要方案及预期效果。

1.某研究小组为测定某种药物对体外培养细胞的毒性，准备对某种动物的肝肿瘤细胞（甲）和正常肝细胞（乙）进行动物细胞培养。下列叙述正确的是( )
A.动物细胞培养过程中，通常要通入95%的CO2维持培养液的pH
B.培养液需含有糖类、氨基酸、无机盐、生长素和血清等
C.为了防止细胞培养过程中出现细菌污染，必须保证环境是无菌、无毒的
D.甲、乙细胞在持续传代培养过程中，均会出现停止增殖的现象
2.下列关于动物细胞培养的叙述，正确的是( )
A.传代培养的正常动物细胞可在培养瓶壁上形成多层细胞
B.原代培养过程中，多数细胞的基因型会发生改变
C.传代培养的细胞一般不会发生染色体变异
D.在高倍显微镜下观察发生基因突变的细胞比例，可推知某化学药品的毒性
3.下列关于人体造血干细胞的叙述，错误的是( )
A.造血干细胞比胚胎干细胞的分化程度更高
B.造血干细胞属于成体干细胞，但不具有组织特异性
C.造血干细胞可不断增殖和分化，适当捐献造血干细胞不影响人体健康
D.造血干细胞移植是治疗白血病的有效手段
4.(不定项)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. iPS细胞经体外诱导产生造血干细胞，移植到小鼠骨髓中能够增殖分化出B细胞
5.图1是培养小鼠胚胎成纤维细（MEF细胞）的示意图，图2是在用MEF细胞制成的饲养层上培养胚胎干细胞（ES细胞）的示意图。回答下列问题。
(1)图1中培养MEF细胞的适宜温度约为________℃。当MEF细胞分裂生长到细胞表面相互接触时就停止分裂，这种现象称为细胞的____________。
(2)ES细胞存在于________中，具有分化为成年动物体内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________的潜能。
(3)在培养液中单独培养ES细胞时，ES细胞容易发生分化，结合图2可推知MEF细胞的作用是_________________________________________________________。
【课堂小结】结合本节课所学，构建知识网络
参考答案
自主预习
一、动物细胞培养的条件
1.相关的组织 单个细胞 生长 增殖
2.细胞培养的原理：细胞增殖
细胞培养的条件：(1)必要的营养条件；(2)无菌、无毒的环境；(3)适宜的温度、pH和渗透压；(4)适宜的气体环境
二、动物细胞培养的过程
1.一类细胞能够悬浮在培养液中生长增殖；另一类需要贴附于某些基质表面生长增殖。
2.通常将分瓶之前的细胞培养，即动物组织经处理后的初次培养称为原代培养，将分瓶后的细胞培养称为传代培养。
3.不是所有细胞都可以无限增殖；正常动物细胞在体外培养时，经过有限次的传代后会进入衰老和死亡阶段；细胞在传代培养过程中可能出现基因突变、染色体变异、表观遗传等情况，这些都会影响细胞的基因稳定性，因此在细胞培养和应用中，需要严格控制传代次数和培养条件，以确保细胞的基因稳定性。
三、干细胞培养及其应用
1.早期胚胎 骨髓 脐带血 胚胎干细胞 成体干细胞
2.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。
3.iPS细胞可以来源于病人自身的体细胞，所以移植回病人自身体内后，理论上可以避免免疫排斥反应。
课堂探究
任务一、动物细胞培养的条件和过程
（1）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。由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，因此进行动物细胞培养时，为保证细胞能顺利生长和繁殖，一般需要向培养基中添加血清等天然成分。
（2）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）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，胰蛋白酶在此环境中活性较高，而胃蛋白酶的适宜pH为1.5左右，在 pH为7.2～7.4的环境中会失去活性，因此胃蛋白酶不适用于细胞培养时的处理。
（4）癌细胞；癌细胞的细胞膜上的糖蛋白等物质减少；
对医学研究的启示：
①癌症诊断与早期筛查：癌细胞无接触抑制现象是其区别于正常细胞的重要特征之一，可作为癌症诊断和早期筛查的潜在标志物。
②靶向治疗药物研发：深入了解癌细胞失去接触抑制的分子机制，有助于开发针对癌细胞特定信号通路的靶向治疗药物。
【归纳总结】动物细胞培养与植物组织培养的比较
【迁移拓展】可以从以下几个方面讨论交流：
①无菌条件：细胞培养过程中是否受到微生物污染？
②培养基成分：培养基是否适合细胞生长？是否需要调整成分或更换新鲜培养基？
③环境条件：温度、pH值和气体环境是否符合要求？
④细胞状态：细胞的接种密度、传代次数是否合适？是否需要优化
任务二、干细胞的培养及其应用
（1）通过胚胎干细胞体外诱导分化，可以培育出人造组织、器官，从而解决供体器官不足的问题；胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理问题，因而限制了其应用。
（2）iPS细胞诱导过程无须破坏胚胎，不会产生伦理问题，且因iPS细胞来自病人自身，将诱导产生的所需细胞移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应。
iPS细胞应用的局限性：
①重编程不完全：iPS细胞在诱导过程中可能存在重编程不完全的情况，导致细胞特性与胚胎干细胞存在差异。例如，某些iPS细胞可能保留了起始细胞的印记，影响其分化效率和功能。
②致瘤风险：尽管iPS细胞的致瘤风险低于胚胎干细胞，但在重编程过程中使用的某些基因（如c-Myc）可能增加细胞的癌变风险。
③分化效率：iPS细胞的分化效率相对较低，尤其是在某些特定细胞类型的分化上，可能不如胚胎干细胞高效。
④技术复杂性与成本：iPS细胞的制备需要复杂的基因操作和严格的实验室条件，这增加了其应用的成本和技术难度。
（3）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。
【迁移拓展】
①iPS细胞制备：选取病人自身的体细胞经过诱导转化为iPS细胞，进行体外培养和质量检测，再使其定向分化为胰岛B细胞进行移植。
②移植或输注：通过静脉输注或局部移植的方式将胰岛B细胞引入患者体内。
③术后监测：定期监测血糖及并发症情况。
预期结果：患者恢复胰岛素分泌功能，血糖含量回归正常范围，未出现严重的移植不良反应。
当堂训练
1.C【解析】动物细胞培养过程中，通入5% CO2以维持培养液的pH，A项错误；生长素属于植物激素，培养液中不需要加入生长素，B项错误；为了防止细胞培养过程中的细菌污染，必须保证环境是无菌、无毒的，C项正确；肝肿瘤细胞属于癌细胞，癌细胞可一直增殖，不会出现接触抑制等停止增殖的现象，D项错误。
2.C【解析】由于接触抑制，正常的动物细胞进行培养时，在培养瓶壁上只能形成单层细胞，A项错误；原代培养是对动物细胞的初次培养，细胞的遗传物质一般不会发生改变，B项错误；只有少数传代培养的细胞会发生基因突变，导致其细胞核型发生变化，C项正确；由于无法在高倍显微镜下辨别细胞是否发生基因突变，所以无法由此推知某化学药品对细胞的毒性大小，D项错误。
3.B【解析】造血干细胞的分化程度更高，A正确；成体干细胞是成体组织或器官内的干细胞，具有组织特异性，只能分化为特定的细胞或组织，B错误；骨髓中的造血干细胞可不断增殖和分化，所以适当捐献造血干细胞不影响人体健康，C正确；造血干细胞移植可以取代白血病患者病变的造血干细胞，是治疗白血病的有效手段，D正确。
4.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。
5.(1)36.5±0.5 接触抑制 (2)早期胚胎 个体 (3)抑制ES细胞分化
【解析】(1)小鼠胚胎成纤维细胞培养的适宜温度约为36.5±0.5 ℃；当MEF细胞分裂生长到细胞表面相互接触时就停止分裂，这种现象称为细胞的接触抑制。(2)ES细胞来源于早期胚胎中，具有分化为成年动物体内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。(3)在培养液中单独培养ES细胞时，ES细胞容易发生分化，结合题图2可知，加入MEF细胞后，ES细胞可以只增殖不分化，故可推知MEF细胞的作用是抑制ES细胞分化。
项目
动物细胞培养
植物组织培养
理论基础
培养前处理
取材
培养基性质
培养基成分
水、矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素和琼脂等
结果
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
名称
全能干细胞
多能干细胞
专能干细胞
特点
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
具有分化成多种细胞或组织的潜能，但不能发育成完整个体
只能分化成一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞
举例
胚胎干细胞
造血干细胞
神经干细胞
应用
用于病人的器官移植等
造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、遗传性血液病等的有效手段
在治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病方面有重要价值
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