資源簡介

2.2.1動物細胞培養(yǎng)
學(xué)習(xí)目標：1.簡述動物細胞培養(yǎng)的過程、條件及應(yīng)用。
2．掌握干細胞培養(yǎng)及其應(yīng)用。
學(xué)科素養(yǎng)：1.科學(xué)思維：構(gòu)建動物細胞培養(yǎng)的流程圖。
2．科學(xué)探究：分析討論動物細胞培養(yǎng)的條件。
3．科學(xué)責(zé)任：了解干細胞培養(yǎng)的進展、應(yīng)用前景及安全問題，認同干細胞培養(yǎng)在疾病治療方面的應(yīng)用價值。
知識點一　動物細胞培養(yǎng)的條件
自主梳理
1．動物細胞培養(yǎng)的概念：指從動物體中取出相關(guān)的組織，將它分散成________細胞，然后在適宜的培養(yǎng)條件下，讓這些細胞________和________的技術(shù)。
2．地位：____________是動物細胞工程的基礎(chǔ)。
3．動物細胞培養(yǎng)的條件
(1)營養(yǎng)
____________：將細胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)按種類和所需量嚴格配制而成的培養(yǎng)基。
①成分
a．營養(yǎng)成分：糖類、氨基酸、無機鹽、維生素等。
b．在合成培養(yǎng)基中通常需要加入________等一些天然成分。
②狀態(tài)：液體培養(yǎng)基，也稱為________。
(2)無菌、無毒的環(huán)境
①對培養(yǎng)液和所有培養(yǎng)用具進行________處理以及在________環(huán)境下進行操作。
②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
①溫度：哺乳動物細胞培養(yǎng)的溫度多以________℃為宜。
②pH：多數(shù)動物細胞生存的適宜pH為7.2～7.4。
③滲透壓：是重要環(huán)境參數(shù)，滲透壓要適宜，以維持細胞正常形態(tài)。
(4)氣體環(huán)境
①O2是細胞代謝所必需的， CO2的主要作用是________。
②在進行細胞培養(yǎng)時，通常采用________或____________，并將它們置于含有________空氣和________ CO2的混合氣體的________中進行培養(yǎng)。
答案：
1．單個　生長　增殖
2．動物細胞培養(yǎng)
3．(1)合成培養(yǎng)基　①b.血清　②培養(yǎng)液　(2)①滅菌　無菌　②培養(yǎng)液　(3)①36.5±0.5　(4)①維持培養(yǎng)液的pH　②培養(yǎng)皿　松蓋培養(yǎng)瓶　95%　5%　CO2培養(yǎng)箱
[互動探究]
1．動物細胞培養(yǎng)的原理是什么？
提示：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．動物細胞培養(yǎng)時，除了添加糖類、氨基酸等必要的營養(yǎng)成分外，往往還需添加血清等一些天然成分，原因是什么？
提示：人們對細胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)尚未全部研究清楚，血清等一些天然成分的營養(yǎng)成分比較齊全，可以彌補人工培養(yǎng)基的不足。
歸納提升
1．培養(yǎng)條件的分析
(1)添加血清、血漿的作用：血清和血漿中含有多種維持細胞正常代謝和生長的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、氨基酸、未知的促生長因子等。細胞培養(yǎng)時，一般需添加10%～20%的血清或血漿。
(2)氣體環(huán)境：CO2調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH，O2維持細胞有氧呼吸。
2．動物細胞培養(yǎng)的兩點說明
(1)動物細胞培養(yǎng)所用的是液體培養(yǎng)基，且并非完全的合成培養(yǎng)基，因為還添加了動物血清等天然成分。
(2)動物細胞培養(yǎng)過程中，應(yīng)該對培養(yǎng)液和培養(yǎng)用具進行滅菌而非消毒。
針對訓(xùn)練
1．一般來說，動物細胞體外培養(yǎng)需要滿足的條件有(　　)
①無毒的環(huán)境　②無菌的環(huán)境　③培養(yǎng)液中需加血清等一些天然成分　④溫度與動物體溫相近　⑤需要O2
⑥加CO2維持培養(yǎng)液的pH
A．①②③④⑤⑥ B．①②③④
C．①③④⑤⑥ D．①②③④⑥
答案：A　
解析：動物細胞體外培養(yǎng)要求環(huán)境無菌、無毒；在細胞培養(yǎng)液中需添加血清等一些天然成分；培養(yǎng)溫度一般與動物體溫相近；動物細胞培養(yǎng)還需要O2和CO2，O2是細胞代謝所必需的，CO2可維持培養(yǎng)液的pH。
2．相對細菌和植物細胞而言，動物細胞離體培養(yǎng)更需關(guān)注培養(yǎng)基的滲透壓，這是因為動物細胞(　　)
A．沒有成熟大液泡，滲透壓調(diào)節(jié)能力差
B．滲透壓遠高于細菌或植物細胞的滲透壓
C．沒有細胞壁，對培養(yǎng)基的滲透壓更敏感
D．生長緩慢，各生長階段對環(huán)境的滲透壓要求不同
答案：C　
解析：動物細胞雖然無大液泡，但是有一定濃度的細胞液，能發(fā)生滲透作用，故A錯誤；動物細胞滲透壓不一定高于細菌或植物細胞的滲透壓，故B錯誤；由于動物細胞無細胞壁，外界滲透壓一旦變化，細胞更容易變化如皺縮或膨脹，故C正確；動物細胞不一定生長緩慢，各生長階段對環(huán)境的滲透壓要求不同，不是動物細胞離體培養(yǎng)更需關(guān)注培養(yǎng)基的滲透壓的理由，故D錯誤。
知識點二　動物細胞培養(yǎng)的過程
自主梳理
1．懸浮生長：細胞懸浮在培養(yǎng)液中生長增殖。密度過大時，由于____________積累和培養(yǎng)液中____________等因素，細胞分裂受阻。
2．________：細胞懸液中分散的細胞貼附在培養(yǎng)瓶的瓶壁上的現(xiàn)象。
3．接觸抑制：當(dāng)貼壁細胞分裂生長到________相互接觸時，細胞停止分裂增殖的現(xiàn)象。
4．原代培養(yǎng)：分瓶之前的細胞培養(yǎng)，即動物組織________后的初次培養(yǎng)。
5．傳代培養(yǎng)：分瓶之后的細胞培養(yǎng)。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；貼壁細胞需要重新用________等處理，使之分散成單個細胞，然后再用離心法收集。之后，將收集的細胞制成細胞懸液，分瓶培養(yǎng)。
答案：
1．有害代謝物　營養(yǎng)物質(zhì)缺乏
2．細胞貼壁
3．表面
4．經(jīng)處理
5．胰蛋白酶
[互動探究]
1．(科學(xué)思維)動物細胞培養(yǎng)取材時，一般是取胚胎組織或幼齡動物的組織或器官，請解釋原因。
提示：胚胎組織或幼齡動物的組織或器官分裂、增殖旺盛。
2．(生命觀念)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(zhì)主要是什么成分？用胃蛋白酶可以嗎？為什么？
提示：蛋白質(zhì)。不可以。多數(shù)動物細胞培養(yǎng)的適宜pH為7.2～7.4，胃蛋白酶(適宜pH為2)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，因此胰蛋白酶適用于細胞培養(yǎng)時的處理。
3．(科學(xué)思維)培養(yǎng)瓶中的細胞培養(yǎng)到什么時候就不再分裂增殖？
提示：當(dāng)貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時，細胞停止分裂增殖。
[歸納提升]
1．動物細胞培養(yǎng)過程
(1)原理：細胞增殖。
(2)選材：一般取自幼齡動物的器官或組織，因為這些組織或器官的生命力旺盛，分裂能力強。
(3)酶處理
①用酶兩次處理的目的：第一次使用的目的是使組織細胞分散開；第二次使用的目的是使細胞從瓶壁上脫離下來，便于分散后繼續(xù)培養(yǎng)。
②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(yīng)；二是能保證細胞內(nèi)有害代謝產(chǎn)物的及時排出。
③不能用胃蛋白酶處理：由于大多數(shù)動物細胞培養(yǎng)的適宜pH為7.2～7.4，而胃蛋白酶發(fā)揮作用的最適pH為2.0左右，因此不能用胃蛋白酶使細胞分散開。
2．細胞貼壁和接觸抑制
(1)細胞貼壁：將細胞懸液放入培養(yǎng)瓶內(nèi)，置于適宜環(huán)境中培養(yǎng)，懸液中分散的細胞很快就貼附在瓶壁上，稱為細胞貼壁。
(2)接觸抑制：當(dāng)貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時，細胞就會停止分裂增殖，這種現(xiàn)象稱為細胞的接觸抑制。
3．有關(guān)動物細胞培養(yǎng)知識點可歸納為4個“2”
(1)培養(yǎng)材料為“2”：即動物胚胎、幼齡動物的組織和器官。
(2)培養(yǎng)過程為“2”：即原代培養(yǎng)、傳代培養(yǎng)。
(3)胰蛋白酶使用“2”次：即原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)中均使用，目的是使細胞分散開。
(4)細胞生長特點有“2”個：即貼壁生長和接觸抑制。
4．原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)
區(qū)分兩種“培養(yǎng)”的關(guān)鍵是看用胰蛋白酶處理的對象。
(1)第一次：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)。
(2)第二次：細胞培養(yǎng)過程中出現(xiàn)接觸抑制，用胰蛋白酶使其從瓶壁上脫離下來，然后，將其分散到多個培養(yǎng)瓶中繼續(xù)培養(yǎng)，為傳代培養(yǎng)。
5．植物組織培養(yǎng)與動物細胞培養(yǎng)的比較
項目 植物組織培養(yǎng) 動物細胞培養(yǎng)
理論基礎(chǔ) 植物細胞全能性 細胞增殖
培養(yǎng)基 類型 固體或半固體培養(yǎng)基 液體培養(yǎng)基
成分 礦質(zhì)元素、蔗糖、維生素、氨基酸、植物激素等 無機鹽、葡萄糖、維生素、氨基酸、促生長因子、動物血清等
取材 植物幼嫩部位或花藥等 動物胚胎或出生不久的幼齡動物的器官或組織
過程 脫分化、再分化 原代培養(yǎng)、傳代培養(yǎng)
相同點 ①都需要人工條件下的無菌操作，無菌培養(yǎng)；②都需要配制合成培養(yǎng)基；③都需要適宜的溫度、pH等條件
針對訓(xùn)練
1．培養(yǎng)動物細胞時將動物組織分散成單個細胞，宜采用( )
A．鹽酸酒精混合液 B．胃蛋白酶溶液
C．膠原蛋白酶溶液 D．纖維素酶溶液
答案：C　
解析：在培養(yǎng)動物細胞時從健康動物體內(nèi)取出組織塊，剪碎，用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理一段時間，這樣動物組織就會分散成單個細胞，C正確。
2．在動物細胞培養(yǎng)過程中，下列處理中不恰當(dāng)?shù)氖?　　)
A．培養(yǎng)液和培養(yǎng)用具要進行無菌處理
B．提供種類齊全的營養(yǎng)物質(zhì)
C．提供純氧以保證細胞的呼吸作用
D．保證提供適宜的溫度和pH
答案：C　
解析：動物細胞培養(yǎng)過程中要保證無菌、無毒，需要對培養(yǎng)液和培養(yǎng)用具進行無菌處理，A正確；培養(yǎng)液中營養(yǎng)成分要齊全、充足，以滿足細胞增殖的需要，B正確；動物細胞培養(yǎng)過程需要的氣體環(huán)境應(yīng)為95%的空氣和5%的CO2的混合氣體，空氣中的O2保證其代謝所用，CO2維持培養(yǎng)液的pH，C錯誤；細胞體外培養(yǎng)需要適宜溫度和pH，其中溫度一般與動物體溫接近，D正確。
知識點三　干細胞的培養(yǎng)及其應(yīng)用
自主梳理
1．干細胞功能：在一定條件下，可以分化成______________。
2．干細胞的存在：________、________和________等多種組織和器官中。
3．干細胞的種類
(1)胚胎干細胞(ES細胞)
(2)成體干細胞
(3)誘導(dǎo)多能干細胞(iPS細胞)
答案：
1．其他類型的細胞
2．早期胚胎　骨髓　臍帶血
3．(1)早期胚胎　所有組織　器官　個體　(2)造血干細胞　神經(jīng)干細胞　精原干細胞　特定的細胞或組織　完整個體　(3)體細胞　免疫排斥反應(yīng)
[互動探究]
1．誘導(dǎo)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(dǎo)多能干細胞具有發(fā)育的全能性，可以被誘導(dǎo)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(fù)并恢復(fù)正常功能。
2．誘導(dǎo)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(dǎo)分化，可以培育出人造器官，從而解決供體器官不足的問題。另一方面，由于是自身細胞經(jīng)誘導(dǎo)分化形成的，所以無免疫排斥反應(yīng)。
3．從病人體內(nèi)提取成纖維細胞，將其轉(zhuǎn)化成iPS細胞，經(jīng)誘導(dǎo)后產(chǎn)生所需細胞，將所需細胞植入病人體內(nèi)，這種技術(shù)的優(yōu)點有哪些？
提示：iPS細胞誘導(dǎo)過程無須破壞胚胎，不會產(chǎn)生倫理問題，且因iPS細胞來自病人自身，將誘導(dǎo)產(chǎn)生的所需細胞移植回病人體內(nèi)后，理論上可以避免免疫排斥反應(yīng)。
[歸納提升]
干細胞的種類及功能
來源 功能及應(yīng)用
胚胎干細胞 (ES細胞) 早期胚胎 能夠分化成為動物體內(nèi)的任何細胞，并進一步形成組織、器官甚至動物個體
成體干細胞 成體組織 或器官 只能分化成特定的細胞或組織，不具有發(fā)育成完整個體的潛能
誘導(dǎo)多能 干細胞 (iPS細胞) 體外誘導(dǎo)體 細胞產(chǎn)生 能分化成為具有特定功能的細胞，用于治療疾病
針對訓(xùn)練
1．下列關(guān)于胚胎干細胞的分析，錯誤的是(　　)
A．胚胎干細胞可來源于胚胎發(fā)育到囊胚期的細胞
B．胚胎干細胞具有發(fā)育全能性
C．胚胎干細胞可用于燒傷病人的皮膚移植
D．胚胎干細胞培養(yǎng)用MS培養(yǎng)基
答案：D　
解析：胚胎干細胞可來源于囊胚期的內(nèi)細胞團或胎兒的原始性腺，A正確；胚胎干細胞具有全能性，B正確；胚胎干細胞能分裂分化形成組織和器官，可用于皮膚移植，C正確；胚胎干細胞培養(yǎng)用動物細胞培養(yǎng)液，MS培養(yǎng)基是用于植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基，D錯誤。
2．下列關(guān)于干細胞的敘述，不正確的是(　　)
A．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
B．成體干細胞是成體組織或器官內(nèi)的干細胞
C．iPS細胞可以來源于病人自身的體細胞，將其移植回病人體內(nèi)后，可以避免免疫排斥反應(yīng)
D．已分化的T細胞、B細胞等不能被誘導(dǎo)為iPS細胞
答案：D　
解析：在誘導(dǎo)分化因子的作用下，ES細胞可以在體外分化成題述細胞，A正確；成體干細胞是成體組織或器官內(nèi)的干細胞，B正確；iPS細胞可以來源于病人自身體細胞，將其移回病人體內(nèi)后，理論上可避免免疫排斥反應(yīng)，C正確；iPS細胞最初由成纖維細胞轉(zhuǎn)化而來，后發(fā)現(xiàn)T細胞、B細胞也能被誘導(dǎo)為iPS細胞，D錯誤。
[要語必背]
1．動物細胞培養(yǎng)的過程
2．動物細胞培養(yǎng)一般選用胚胎或幼齡動物的組織，細胞在培養(yǎng)過程中會出現(xiàn)細胞貼壁(生長)和接觸抑制現(xiàn)象。
3．體外培養(yǎng)的動物細胞可以分為兩大類：一類細胞能夠懸浮在培養(yǎng)液中生長增殖；另一類則需要貼附于某些基質(zhì)表面才能生長增殖，大多數(shù)細胞屬于這種類型。
4．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。
5．誘導(dǎo)多能干細胞(iPS細胞)的應(yīng)用前景優(yōu)于胚胎干細胞。
鞏固練習(xí)
1．下列關(guān)于動物細胞培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用的敘述，錯誤的是(　　)
A．可用于檢測某種物質(zhì)的毒性
B．可通過培養(yǎng)各種病變細胞，用于藥理等方面的研究
C．可通過動物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)來生產(chǎn)病毒疫苗、干擾素等
D．經(jīng)過脫分化、再分化，可構(gòu)建人造皮膚
答案：D　
解析：動物細胞培養(yǎng)沒有脫分化與再分化過程。
2．下列有關(guān)動物細胞培養(yǎng)的敘述，錯誤的是(　　)
A．惡性腫瘤細胞系具有不死性和失去接觸抑制等特性
B．利用液體培養(yǎng)基和CO2培養(yǎng)箱，模擬動物體的內(nèi)環(huán)境
C．動物細胞培養(yǎng)技術(shù)是其他動物細胞工程技術(shù)的基礎(chǔ)
D．細胞株沒有差異性，在連續(xù)傳代過程中遺傳性狀始終保持穩(wěn)定
答案：D　
解析：惡性腫瘤細胞系能無限繁殖，細胞表面糖蛋白減少，細胞之間的黏著性降低，即具有不死性和失去接觸抑制等特性，A正確；動物細胞培養(yǎng)時模擬動物體的內(nèi)環(huán)境，液體培養(yǎng)基(糖類、氨基酸、促生長因子、無機鹽、微量元素等，還需加入血清、血漿等天然物質(zhì))和 CO2培養(yǎng)箱(95%空氣和5%的CO2)，B正確；動物細胞培養(yǎng)技術(shù)是其他動物細胞工程技術(shù)的基礎(chǔ)，C正確；細胞株傳到50代左右不能再繼續(xù)傳代，部分細胞遺傳物質(zhì)改變，具有癌變細胞的特點，可以在培養(yǎng)條件下無限制的傳代下去，D錯誤。
3．胚胎干細胞可用于治療人類某些頑疾，下列說法錯誤的是(　　)
A．人體的胚胎干細胞可以來自原始性腺
B．人體的胚胎干細胞體積小，細胞核小，核仁明顯
C．胚胎干細胞在飼養(yǎng)層細胞上可維持不分化狀態(tài)
D．胚胎干細胞在功能上具有發(fā)育的全能性
答案：B　
解析：人體的胚胎干細胞可以來自原始性腺，A正確；人體的胚胎干細胞體積小，細胞核大，核仁明顯，B錯誤；胚胎干細胞在飼養(yǎng)層細胞上可維持不分化狀態(tài)，C正確；胚胎干細胞在功能上具有發(fā)育的全能性，D正確。
4．科學(xué)家利用小鼠胚胎干細胞成功制造了直徑大小約為3 mm的“胃”，這一研究成果對器官移植技術(shù)的發(fā)展意義重大，該成果說明(　　)
A．胚胎干細胞內(nèi)的所有基因表達都很活躍
B．胚胎干細胞的全能性得以表達
C．胚胎干細胞具有無限增殖的能力
D．胚胎干細胞經(jīng)誘導(dǎo)可發(fā)生定向分化
答案：D　
解析：胚胎干細胞內(nèi)的基因進行選擇性表達，A錯誤；小鼠胚胎干細胞成功制造了直徑大小約為3 mm的“胃”，只是形成組織和器官，沒有形成個體，沒有體現(xiàn)全能性，B錯誤；胚胎干細胞具有增殖分化的能力，但不能無限增殖，C錯誤；胚胎干細胞經(jīng)誘導(dǎo)可發(fā)生定向分化形成特定的組織和器官，D正確。
5．對某種動物的肝腫瘤細胞進行細胞培養(yǎng)，下列敘述錯誤的是(　　)
A．在利用肝組織塊制備細胞懸液時，可用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理
B．細胞培養(yǎng)應(yīng)在含5%CO2的恒溫培養(yǎng)箱中進行，CO2的作用是刺激細胞呼吸
C．為了防止細胞培養(yǎng)過程中細菌的污染，可向培養(yǎng)液中加入適量的抗生素
D．在合成培養(yǎng)基中，通常需加入血清、血漿等天然成分
答案：B　
解析：在利用肝腫瘤組織塊制備細胞懸浮液時，可用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理，A正確；細胞培養(yǎng)應(yīng)在含5%CO2的恒溫箱中進行，CO2的作用是維持培養(yǎng)基的pH，B錯誤；為了防止細胞培養(yǎng)過程中細菌的污染，可向培養(yǎng)液中加入適量的抗生素，C正確；在合成培養(yǎng)基中，通常需加入動物血清等天然成分，D正確。

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