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第2节 动物细胞工程
第2章　细胞工程
一 动物细胞培养
课程内容标准 核心素养对接
1.阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，将其分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养是动物细胞工程的基础。
2.简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值。 1.理解动物细胞培养的条件。（生命观念）
2.说出动物细胞培养的过程。（科学思维）
3.阐述干细胞培养过程及其应用。（社会责任）
一、动物细胞培养的条件
1. 是动物细胞工程的基础。
2.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 细胞，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞 和 的技术。
动物细胞培养
单个
生长
增殖
3.动物细胞培养的条件
二、动物细胞培养的过程
1.过程
2.相关概念
（1）细胞贴壁：细胞悬液中分散的细胞贴附在瓶壁上。
（2）细胞的接触抑制：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。
（3）原代培养：分瓶之前的细胞培养，即动物组织 后的初次培养。
（4）传代培养：贴满瓶壁的细胞，出现接触抑制后，需要重新用
等处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖的培养过程。
表面
经处理
胰蛋
白酶
3.类型及影响因素
类型 影响因素
能够悬浮在培养液中生长增殖 、 、培养液中营养物质含量
需贴附于某些基质表面才能增殖 除上述因素外，还受到 的影响
细胞密度
有害代谢产物积累
接触抑制
三、干细胞培养及其应用
1.干细胞及其分布：在一定条件下，干细胞可以分化成其他类型的细胞。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。
2.干细胞分类及功能
1.判正误（对的画“√”，错的画“×”）
（1）制备肝细胞悬液时先用机械方法处理肝组织，再用胃蛋白酶处理。 （ ）
（2）发生接触抑制的细胞经保留培养后在培养瓶壁上可形成多层细胞。 （ ）
（3）动物细胞培养技术的原理是动物细胞的全能性。 （ ）
（4）胚胎干细胞可以来源于早期胚胎，也可以来源于成熟个体。 （ ）
×
×
×
×
2.微思考
动物细胞培养为什么需要无菌、无毒的环境？
提示　细菌、真菌和病毒等均可造成细胞培养环境的污染，而离体培养的细胞已失去了对微生物和有毒物质的防御能力，一旦受到污染或自身代谢物质积累，培养的细胞就会死亡。
任务驱动一　动物细胞培养的条件和过程
下图是动物细胞培养的基本过程示意图。请据图回答：
（1）动物细胞培养时，为什么要将动物组织分散成单个细胞？
提示　①保证细胞所需要的营养供应；②保证细胞内有害代谢产物的及时排出。
（2）动物细胞培养需要控制什么样的气体环境？气体各成分起什么作用？
提示　95%的空气和5%的CO2；空气中的O2维持细胞代谢，CO2维持培养液的pH。
（3）动物细胞培养和植物组织培养都可以获得完整个体吗？
提示　动物细胞培养时细胞只进行生长和增殖，不能得到完整个体，但是植物组织培养可以获得完整个体。
1.动物细胞培养过程分析
（1）培养流程
（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，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的原因：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1.5~2.0，因此不能用胃蛋白酶使细胞分散开。
（3）原代培养和传代培养
①原代培养：动物组织分散后的初次培养。
②传代培养：原代培养过程中，贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶处理，然后分瓶培养（或液态细胞悬液的分瓶培养），让细胞继续增殖。
（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。
2.动物细胞培养与植物组织培养的比较
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 是动物细胞
工程的基础 （1）快速繁殖；
（2）培育作物新品种；
（3）作物脱毒
培养条件 无菌、适宜的温度和pH
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 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
3.培养条件的分析
（1）添加血清的作用：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。
［特别提醒］
（1）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）不是所有的细胞在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。
下图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。下列叙述正确的是 （　　）
A.步骤①的操作不需要在无菌环境中进行
B.步骤②中用盐酸溶解细胞间物质使细胞分离
C.步骤③到④的分瓶操作前常用胰蛋白酶处理
D.步骤④培养过程中不会发生细胞转化
C
解析
动物细胞培养过程中需要无菌操作，故步骤①的操作需要在无菌环境中进行，A错误；动物细胞培养过程中需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织，使其分散成单个细胞，制成细胞悬液，B错误；传代培养时需要用胰蛋白酶处理贴壁生长的细胞，使之分散成单个细胞，再分瓶培养，C正确；步骤④为传代培养过程，该过程中部分细胞可能发生细胞转化，核型改变，D错误。
［举一反三］
（科学思维）动物细胞培养过程中，用胰蛋白酶溶液处理时间过长或过短，分别会出现什么结果？
提示　处理时间过长，胰蛋白酶会破坏细胞膜，即损伤细胞。处理时间过短，组织细胞不能充分分散开。
1.某兴趣小组开展小鼠原代神经元培养的研究，结果发现其培养的原代神经元生长缓慢，其原因不可能的是 （　　）
A.实验材料取自小鼠胚胎的脑组织
B.为了防止污染将培养瓶瓶口密封
C.血清经过高温处理后加入培养基
D.所使用的培养基呈弱酸性
A
解析
小鼠胚胎脑组织中含有丰富的原代神经元，细胞增殖能力强，不会造成生长缓慢，A符合题意；培养瓶瓶口密封会使培养液中缺氧，影响细胞有氧呼吸，造成供能不足，可能使细胞生长缓慢，B不符合题意；血清经过高温处理后，其中活性成分变性，失去原有功能，细胞生存环境严重恶化，可能使细胞生长缓慢，C不符合题意；小鼠内环境为弱碱性，所使用的培养基呈弱酸性，使细胞生存环境恶劣，可能造成细胞生长缓慢，D不符合题意。
2.下列关于动物细胞培养和植物组织培养的叙述，正确的是 （　　）
A.培养原理都是细胞的全能性
B.都通过有丝分裂增加细胞数目
C.培养材料都必须取自分生组织
D.都经过脱分化恢复细胞全能性
B
解析
动物细胞培养的原理是细胞增殖，A错误；两者都通过有丝分裂增加细胞数目，B正确；培养材料不一定取自分生组织，植物组织培养技术可以用高度分化的组织细胞或器官作材料，C错误；动物细胞培养能获得细胞或细胞产物，不需要经过脱分化，D错误。
任务驱动二　干细胞培养及其应用
下图为iPS细胞的培养和利用过程，请据图回答：
1.①→②过程的实质是什么？
提示　基因的选择性表达。
2.②过程中需要哪些培养条件？
提示　无菌、无毒的环境，适宜的温度、pH、渗透压、营养、气体环境。
3.iPS细胞是多能干细胞还是专能干细胞？
提示　多能干细胞。
1.三种干细胞的比较
胚胎干细胞 成体干细胞 诱导多能
干细胞
来源或
分类 早期胚胎 成体组织或器官中。包括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 由高度分化的组织细胞诱导而来
胚胎干细胞 成体干细胞 诱导多能
干细胞
特点 具有分化成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 诱导过程中无须破坏胚胎，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，无伦理问题
2.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。
科学家将人体皮肤细胞改造成了多能干细胞——“iPS细胞”，人类“iPS细胞”可以形成神经元等人体多种组织细胞。以下有关“iPS细胞”的说法，正确的是 （　　）
A.iPS细胞分化为神经细胞的过程体现了细胞的全能性
B.iPS细胞有细胞周期，它分化形成的神经细胞一般不具有细胞周期
C.iPS细胞可分化形成多种组织细胞，说明“iPS细胞”在分裂时很容易发生突变
D.iPS细胞能分化成人体多种组织细胞，是因为它具有不同于其他细胞的特定基因
B
解析
“iPS”细胞分化为多种组织细胞，但并未发育成完整个体，未体现细胞的全能性，神经细胞为高度分化的细胞，一般不具有分裂能力，故不具有细胞周期；细胞分化是基因选择性表达的结果；由题意知，“iPS细胞”同人体细胞一样，具有人体生长发育的全套遗传物质。
［举一反三］
1.（生命观念）胚胎干细胞的来源有哪些？为什么可分化为动物体内任何一种组织？
提示　胚胎干细胞可从早期胚胎中分离出来。胚胎干细胞具有发育的全能性，能分化为动物体内任何一种组织。
2.（科学思维）iPS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　通过胚胎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，由于器官是由自身细胞经诱导分化形成的，所以无免疫排斥反应。
1.有研究人员体外诱导小鼠的皮肤细胞，获得诱导多能干细胞（iPS细胞），并将这种iPS细胞放置在特殊的孵化器中培养，得到了一种类似原肠胚的结构。现在，用iPS细胞治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等的研究也取得了新进展。下列叙述错误的是 （　　）
A.可用小分子化合物诱导形成iPS细胞
B.特殊的孵化器可能模拟了子宫的特殊环境
C.皮肤细胞转化为iPS细胞的过程中分化程度提高
D.利用自身体细胞诱导的iPS细胞治疗，可避免免疫排斥反应
C
解析
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，A正确；根据题干“将这种iPS细胞放置在特殊的孵化器中培养，得到了一种类似原肠胚的结构”，推测特殊的孵化器可能模拟了子宫的特殊环境，B正确；iPS类似于胚胎干细胞，分化程度较低，故诱导产生iPS的过程中细胞分化程度降低，C错误；iPS细胞可以来源于病人自身的体细胞，将它移植回人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应，D正确。
2.一个婴儿在出生后，医院为他保留了脐带血，在他以后的生长发育过程中如果出现了某种难治疗的疾病，就可以通过血液中的干细胞来为他治病，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器官来移植治病，需要激发细胞的所有全能性
B.用脐带血中的干细胞能够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
C
解析
脐带血中含有大量未成熟的造血干细胞，将脐带血细胞进行移植，对白血病、再生障碍性贫血等恶性血液病的治疗具有疗效；用干细胞培育出人体需要的器官来移植治疗，只要诱导细胞分化成该组织、器官即可，不需激发其所有全能性；脐带血移植属自体移植，基本不会发生免疫排斥反应，不需要长期使用免疫抑制药物。
知识网络构建
关键知识积累
1.动物细胞工程的基础是动物细胞培养。
2.动物细胞培养的条件：无菌、无毒的环境，合适的营养、温度、pH和渗透压，气体环境。
3.动物细胞培养中的两个显著特点是细胞贴壁、接触抑制。
4.胚胎干细胞能够分化成为成年动物体内的任何一种类型的细胞；成体干细胞具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织。
1.动物细胞培养与植物组织培养的重要区别在于 （　　）
A.培养基不同
B.动物细胞培养不需要在无菌条件下进行
C.动物细胞可以传代培养，而植物细胞不能
D.动物细胞能够大量培养，而植物细胞只能培养成植株
A
解析
动物细胞培养的培养基与植物组织培养的培养基不同，动物细胞一般用液体培养基培养，而植物组织培养一般用固体培养基，与植物组织培养的培养基相比，动物细胞培养的培养基中还要加动物血清等，A正确；它们都是在无菌条件下进行的，都可以传代培养，且都能够大量培养，B、C、D错误。
2.（2022·江苏卷）航天员叶光富和王亚平在天宫课堂上展示了培养的心肌细胞跳动的视频。下列相关叙述正确的是 （　　）
A.培养心肌细胞的器具和试剂都要先进行湿热灭菌
B.培养心肌细胞的时候既需要氧气也需要二氧化碳
C.心肌细胞在培养容器中通过有丝分裂不断增殖
D.心肌细胞在神经细胞发出的神经冲动的支配下跳动
B
解析
培养心肌细胞的器具要先进行湿热灭菌，但是试剂并不都需要灭菌，如动物血清不能进行湿热灭菌，否则会使其中的成分失活，A错误；培养心肌细胞的时候既需要氧气（有助于进行有氧呼吸）也需要二氧化碳（有助于维持培养液的pH），B正确；心肌细胞为高度分化的细胞，不能进行有丝分裂，C错误；心肌细胞节律性收缩，受自主神经系统的支配，是不随意的，在神经细胞释放的神经递质的支配下跳动，D错误。
3.下列人体细胞中分化程度最低的是 （　　）
A.胚胎干细胞　　　　　　 B.造血干细胞
C.胰腺细胞 D.肌肉细胞
A
解析
在体细胞中胚胎干细胞具有发育的全能性，分化程度最低；造血干细胞只能分化为各种血细胞，分化程度较高；胰腺细胞和肌肉细胞执行特定功能，分化程度最高。
4.国外科研机构在世界著名学术杂志《细胞》上率先报道了对iPS细胞的研究。他们把Oct3/4、Sox2、c Myc和Klf4这四种转录因子引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞极为相似。从理论角度而言，下列有关iPS细胞的说法不正确的是 （　　 ）
D
A.iPS细胞在理论上，可以避免免疫排斥
B.iPS细胞在功能上具有细胞的全能性，即可以分化为成年动物体内任何一种组织细胞
C.iPS细胞可以用于治疗人类因细胞坏死或退化引起的疾病
D.iPS细胞在体外培养的条件下，可以增殖和分化
解析
将iPS细胞增殖分化出的不同细胞移植回病人体内，由于来源的相同（相似）性，理论上可以避免免疫排斥反应，A正确；iPS细胞属于诱导多能干细胞，能分化为成年动物体内任何一种组织的细胞，B正确；iPS细胞可分化为成年动物体内任何一种组织的细胞，因此可能用于治疗人类因细胞坏死或退化而导致的某些顽症，C正确；iPS细胞与胚胎干细胞极为相似，因此其在体外培养条件下，可以维持增殖而不发生分化，D错误。
5.右图为动物细胞培养过程示意图，请回答以下几个问题：
（1）容器A中的动物器官或组织首先要剪碎，然后用胰蛋白酶处理，其目的是
。
（2）培养先在B瓶中进行。瓶中的培养基成分有葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和　　　　　　　等。细胞增殖产生的新细胞会表现出
　　　　生长现象。当细胞分裂生长到　　　　　　　时，就会停止分裂增殖，这种现象称为接触抑制，需用胰蛋白酶处理后分瓶继续培养，称为　　　　　　。有一类不正常的动物细胞，体外培养时不受接触抑制的制约而“疯长”，这类细胞最可能是　　　　。
（3）细胞在C瓶中培养一段时间后，大部分衰老死亡，但有极少数存活并传代，它们能够无限传代的原因是
。
答案　（1）使细胞分散成单个细胞，每个细胞可以与培养液充分接触　（2）动物血清　贴壁　表面相互接触　传代培养　癌细胞　（3）细胞遗传物质发生改变，带有癌细胞的特点，能无限增殖
解析
（1）用胰蛋白酶处理动物的组织碎块，能使组织分散成单个细胞，形成细胞悬液，有利于细胞的生长和增殖。
（2）进行动物细胞培养，需要在培养基中加入一定量的动物血清，内含多种营养物质和促生长因子；体外进行细胞培养时，细胞会表现出贴壁生长现象，当它们分裂生长到表面相互接触时，细胞的分裂增殖就会停止，即所谓的接触抑制，而癌细胞不受这一机制的制约，表现为“疯长”。出现接触抑制时，需对细胞进行传代培养。
（3）传代培养到大约50代，大部分细胞不能继续传代，但一部分细胞核内的遗传物质发生类似于癌变的改变，能无限增殖。

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