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2.2.1动物细胞培养
学习目标：1.简述动物细胞培养的过程、条件及应用。
2．掌握干细胞培养及其应用。
学科素养：1.科学思维：构建动物细胞培养的流程图。
2．科学探究：分析讨论动物细胞培养的条件。
3．科学责任：了解干细胞培养的进展、应用前景及安全问题，认同干细胞培养在疾病治疗方面的应用价值。
知识点一　动物细胞培养的条件
自主梳理
1．动物细胞培养的概念：指从动物体中取出相关的组织，将它分散成________细胞，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞________和________的技术。
2．地位：____________是动物细胞工程的基础。
3．动物细胞培养的条件
(1)营养
____________：将细胞所需的营养物质按种类和所需量严格配制而成的培养基。
①成分
a．营养成分：糖类、氨基酸、无机盐、维生素等。
b．在合成培养基中通常需要加入________等一些天然成分。
②状态：液体培养基，也称为________。
(2)无菌、无毒的环境
①对培养液和所有培养用具进行________处理以及在________环境下进行操作。
②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
①温度：哺乳动物细胞培养的温度多以________℃为宜。
②pH：多数动物细胞生存的适宜pH为7.2～7.4。
③渗透压：是重要环境参数，渗透压要适宜，以维持细胞正常形态。
(4)气体环境
①O2是细胞代谢所必需的， CO2的主要作用是________。
②在进行细胞培养时，通常采用________或____________，并将它们置于含有________空气和________ CO2的混合气体的________中进行培养。
答案：
1．单个　生长　增殖
2．动物细胞培养
3．(1)合成培养基　①b.血清　②培养液　(2)①灭菌　无菌　②培养液　(3)①36.5±0.5　(4)①维持培养液的pH　②培养皿　松盖培养瓶　95%　5%　CO2培养箱
[互动探究]
1．动物细胞培养的原理是什么？
提示：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．动物细胞培养时，除了添加糖类、氨基酸等必要的营养成分外，往往还需添加血清等一些天然成分，原因是什么？
提示：人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，血清等一些天然成分的营养成分比较齐全，可以弥补人工培养基的不足。
归纳提升
1．培养条件的分析
(1)添加血清、血浆的作用：血清和血浆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%的血清或血浆。
(2)气体环境：CO2调节培养液pH，O2维持细胞有氧呼吸。
2．动物细胞培养的两点说明
(1)动物细胞培养所用的是液体培养基，且并非完全的合成培养基，因为还添加了动物血清等天然成分。
(2)动物细胞培养过程中，应该对培养液和培养用具进行灭菌而非消毒。
针对训练
1．一般来说，动物细胞体外培养需要满足的条件有(　　)
①无毒的环境　②无菌的环境　③培养液中需加血清等一些天然成分　④温度与动物体温相近　⑤需要O2
⑥加CO2维持培养液的pH
A．①②③④⑤⑥ B．①②③④
C．①③④⑤⑥ D．①②③④⑥
答案：A　
解析：动物细胞体外培养要求环境无菌、无毒；在细胞培养液中需添加血清等一些天然成分；培养温度一般与动物体温相近；动物细胞培养还需要O2和CO2，O2是细胞代谢所必需的，CO2可维持培养液的pH。
2．相对细菌和植物细胞而言，动物细胞离体培养更需关注培养基的渗透压，这是因为动物细胞(　　)
A．没有成熟大液泡，渗透压调节能力差
B．渗透压远高于细菌或植物细胞的渗透压
C．没有细胞壁，对培养基的渗透压更敏感
D．生长缓慢，各生长阶段对环境的渗透压要求不同
答案：C　
解析：动物细胞虽然无大液泡，但是有一定浓度的细胞液，能发生渗透作用，故A错误；动物细胞渗透压不一定高于细菌或植物细胞的渗透压，故B错误；由于动物细胞无细胞壁，外界渗透压一旦变化，细胞更容易变化如皱缩或膨胀，故C正确；动物细胞不一定生长缓慢，各生长阶段对环境的渗透压要求不同，不是动物细胞离体培养更需关注培养基的渗透压的理由，故D错误。
知识点二　动物细胞培养的过程
自主梳理
1．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____________等因素，细胞分裂受阻。
2．________：细胞悬液中分散的细胞贴附在培养瓶的瓶壁上的现象。
3．接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到________相互接触时，细胞停止分裂增殖的现象。
4．原代培养：分瓶之前的细胞培养，即动物组织________后的初次培养。
5．传代培养：分瓶之后的细胞培养。在进行传代培养时，悬浮培养的细胞直接用离心法收集；贴壁细胞需要重新用________等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心法收集。之后，将收集的细胞制成细胞悬液，分瓶培养。
答案：
1．有害代谢物　营养物质缺乏
2．细胞贴壁
3．表面
4．经处理
5．胰蛋白酶
[互动探究]
1．(科学思维)动物细胞培养取材时，一般是取胚胎组织或幼龄动物的组织或器官，请解释原因。
提示：胚胎组织或幼龄动物的组织或器官分裂、增殖旺盛。
2．(生命观念)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成分？用胃蛋白酶可以吗？为什么？
提示：蛋白质。不可以。多数动物细胞培养的适宜pH为7.2～7.4，胃蛋白酶(适宜pH为2)在此环境中没有活性，而胰蛋白酶在此环境中活性较高，因此胰蛋白酶适用于细胞培养时的处理。
3．(科学思维)培养瓶中的细胞培养到什么时候就不再分裂增殖？
提示：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞停止分裂增殖。
[归纳提升]
1．动物细胞培养过程
(1)原理：细胞增殖。
(2)选材：一般取自幼龄动物的器官或组织，因为这些组织或器官的生命力旺盛，分裂能力强。
(3)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，便于分散后继续培养。
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产物的及时排出。
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。
2．细胞贴壁和接触抑制
(1)细胞贴壁：将细胞悬液放入培养瓶内，置于适宜环境中培养，悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。
(2)接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。
3．有关动物细胞培养知识点可归纳为4个“2”
(1)培养材料为“2”：即动物胚胎、幼龄动物的组织和器官。
(2)培养过程为“2”：即原代培养、传代培养。
(3)胰蛋白酶使用“2”次：即原代培养和传代培养中均使用，目的是使细胞分散开。
(4)细胞生长特点有“2”个：即贴壁生长和接触抑制。
4．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。
5．植物组织培养与动物细胞培养的比较
项目 植物组织培养 动物细胞培养
理论基础 植物细胞全能性 细胞增殖
培养基 类型 固体或半固体培养基 液体培养基
成分 矿质元素、蔗糖、维生素、氨基酸、植物激素等 无机盐、葡萄糖、维生素、氨基酸、促生长因子、动物血清等
取材 植物幼嫩部位或花药等 动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
过程 脱分化、再分化 原代培养、传代培养
相同点 ①都需要人工条件下的无菌操作，无菌培养；②都需要配制合成培养基；③都需要适宜的温度、pH等条件
针对训练
1．培养动物细胞时将动物组织分散成单个细胞，宜采用( )
A．盐酸酒精混合液 B．胃蛋白酶溶液
C．胶原蛋白酶溶液 D．纤维素酶溶液
答案：C　
解析：在培养动物细胞时从健康动物体内取出组织块，剪碎，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理一段时间，这样动物组织就会分散成单个细胞，C正确。
2．在动物细胞培养过程中，下列处理中不恰当的是(　　)
A．培养液和培养用具要进行无菌处理
B．提供种类齐全的营养物质
C．提供纯氧以保证细胞的呼吸作用
D．保证提供适宜的温度和pH
答案：C　
解析：动物细胞培养过程中要保证无菌、无毒，需要对培养液和培养用具进行无菌处理，A正确；培养液中营养成分要齐全、充足，以满足细胞增殖的需要，B正确；动物细胞培养过程需要的气体环境应为95%的空气和5%的CO2的混合气体，空气中的O2保证其代谢所用，CO2维持培养液的pH，C错误；细胞体外培养需要适宜温度和pH，其中温度一般与动物体温接近，D正确。
知识点三　干细胞的培养及其应用
自主梳理
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
(1)胚胎干细胞(ES细胞)
(2)成体干细胞
(3)诱导多能干细胞(iPS细胞)
答案：
1．其他类型的细胞
2．早期胚胎　骨髓　脐带血
3．(1)早期胚胎　所有组织　器官　个体　(2)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　(3)体细胞　免疫排斥反应
[互动探究]
1．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。
2．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。
3．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？
提示：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。
[归纳提升]
干细胞的种类及功能
来源 功能及应用
胚胎干细胞 (ES细胞) 早期胚胎 能够分化成为动物体内的任何细胞，并进一步形成组织、器官甚至动物个体
成体干细胞 成体组织 或器官 只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的潜能
诱导多能 干细胞 (iPS细胞) 体外诱导体 细胞产生 能分化成为具有特定功能的细胞，用于治疗疾病
针对训练
1．下列关于胚胎干细胞的分析，错误的是(　　)
A．胚胎干细胞可来源于胚胎发育到囊胚期的细胞
B．胚胎干细胞具有发育全能性
C．胚胎干细胞可用于烧伤病人的皮肤移植
D．胚胎干细胞培养用MS培养基
答案：D　
解析：胚胎干细胞可来源于囊胚期的内细胞团或胎儿的原始性腺，A正确；胚胎干细胞具有全能性，B正确；胚胎干细胞能分裂分化形成组织和器官，可用于皮肤移植，C正确；胚胎干细胞培养用动物细胞培养液，MS培养基是用于植物组织培养的培养基，D错误。
2．下列关于干细胞的叙述，不正确的是(　　)
A．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
B．成体干细胞是成体组织或器官内的干细胞
C．iPS细胞可以来源于病人自身的体细胞，将其移植回病人体内后，可以避免免疫排斥反应
D．已分化的T细胞、B细胞等不能被诱导为iPS细胞
答案：D　
解析：在诱导分化因子的作用下，ES细胞可以在体外分化成题述细胞，A正确；成体干细胞是成体组织或器官内的干细胞，B正确；iPS细胞可以来源于病人自身体细胞，将其移回病人体内后，理论上可避免免疫排斥反应，C正确；iPS细胞最初由成纤维细胞转化而来，后发现T细胞、B细胞也能被诱导为iPS细胞，D错误。
[要语必背]
1．动物细胞培养的过程
2．动物细胞培养一般选用胚胎或幼龄动物的组织，细胞在培养过程中会出现细胞贴壁(生长)和接触抑制现象。
3．体外培养的动物细胞可以分为两大类：一类细胞能够悬浮在培养液中生长增殖；另一类则需要贴附于某些基质表面才能生长增殖，大多数细胞属于这种类型。
4．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。
5．诱导多能干细胞(iPS细胞)的应用前景优于胚胎干细胞。
巩固练习
1．下列关于动物细胞培养技术应用的叙述，错误的是(　　)
A．可用于检测某种物质的毒性
B．可通过培养各种病变细胞，用于药理等方面的研究
C．可通过动物细胞的大规模培养来生产病毒疫苗、干扰素等
D．经过脱分化、再分化，可构建人造皮肤
答案：D　
解析：动物细胞培养没有脱分化与再分化过程。
2．下列有关动物细胞培养的叙述，错误的是(　　)
A．恶性肿瘤细胞系具有不死性和失去接触抑制等特性
B．利用液体培养基和CO2培养箱，模拟动物体的内环境
C．动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础
D．细胞株没有差异性，在连续传代过程中遗传性状始终保持稳定
答案：D　
解析：恶性肿瘤细胞系能无限繁殖，细胞表面糖蛋白减少，细胞之间的黏着性降低，即具有不死性和失去接触抑制等特性，A正确；动物细胞培养时模拟动物体的内环境，液体培养基(糖类、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，还需加入血清、血浆等天然物质)和 CO2培养箱(95%空气和5%的CO2)，B正确；动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础，C正确；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的传代下去，D错误。
3．胚胎干细胞可用于治疗人类某些顽疾，下列说法错误的是(　　)
A．人体的胚胎干细胞可以来自原始性腺
B．人体的胚胎干细胞体积小，细胞核小，核仁明显
C．胚胎干细胞在饲养层细胞上可维持不分化状态
D．胚胎干细胞在功能上具有发育的全能性
答案：B　
解析：人体的胚胎干细胞可以来自原始性腺，A正确；人体的胚胎干细胞体积小，细胞核大，核仁明显，B错误；胚胎干细胞在饲养层细胞上可维持不分化状态，C正确；胚胎干细胞在功能上具有发育的全能性，D正确。
4．科学家利用小鼠胚胎干细胞成功制造了直径大小约为3 mm的“胃”，这一研究成果对器官移植技术的发展意义重大，该成果说明(　　)
A．胚胎干细胞内的所有基因表达都很活跃
B．胚胎干细胞的全能性得以表达
C．胚胎干细胞具有无限增殖的能力
D．胚胎干细胞经诱导可发生定向分化
答案：D　
解析：胚胎干细胞内的基因进行选择性表达，A错误；小鼠胚胎干细胞成功制造了直径大小约为3 mm的“胃”，只是形成组织和器官，没有形成个体，没有体现全能性，B错误；胚胎干细胞具有增殖分化的能力，但不能无限增殖，C错误；胚胎干细胞经诱导可发生定向分化形成特定的组织和器官，D正确。
5．对某种动物的肝肿瘤细胞进行细胞培养，下列叙述错误的是(　　)
A．在利用肝组织块制备细胞悬液时，可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理
B．细胞培养应在含5%CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是刺激细胞呼吸
C．为了防止细胞培养过程中细菌的污染，可向培养液中加入适量的抗生素
D．在合成培养基中，通常需加入血清、血浆等天然成分
答案：B　
解析：在利用肝肿瘤组织块制备细胞悬浮液时，可用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理，A正确；细胞培养应在含5%CO2的恒温箱中进行，CO2的作用是维持培养基的pH，B错误；为了防止细胞培养过程中细菌的污染，可向培养液中加入适量的抗生素，C正确；在合成培养基中，通常需加入动物血清等天然成分，D正确。

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