“动物细胞融合与单克隆抗体”一节基于实践后的教学设计

羊垂功

摘 要 依据教材编写意图、学生原有认知等创设问题串引导、启发学生理解动物细胞融合过程、植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术区别、联系等，培养学生知识迁移等能力；抓住技术流程和筛选主线，以问题为导向，启迪学生思维，帮助学生理解单克隆抗体制备原理与应用，培养学生综合运用知识能力。

关键词 动物细胞融合 单克隆抗体 教学设计

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 教材分析

“动物细胞融合与单克隆抗体”是人教版高中生物学教材《选修3·现代生物科技专题》专题2“动物细胞工程”第二节内容，包括“动物细胞融合技术的发展简史”、“动物细胞融合过程”、“单克隆抗体制备”和“单克隆抗体应用”四部分内容。“动物细胞融合”这部分内容，由于学生对植物体细胞杂交技术已经有一定了解，在编排过程中如何做到学生在原有能力基础上提高且内容不重复？教材首先指出动物也可以和植物一样进行细胞杂交，其原理基本相同、诱导融合的方法也类似即二者都可以采用物理和化学诱导因素诱导动物细胞（原生质体）融合。但生物诱导因素（灭活的仙台病毒）是动物细胞融合特有的诱导因素。为什么灭活的仙台病毒仅能诱导动物细胞融合？人们怎么知道灭活的仙台病毒可以诱导动物细胞融合？怎样用灭活的仙台病毒诱导动物细胞融合？教材通过“动物细胞融合技术的发展简史”“灭活的仙台病毒诱导动物细胞融合过程示意图”“生物技术资料卡”等辅以说明。编者之所以这样选取内容是力图使学生理解灭活仙台病毒诱导动物细胞融合原理、动物细胞融合过程、植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术区别、联系的同时，进一步受到科学史、科学方法和科学价值观的教育。“单克隆抗体”这部分内容教材采用讲故事的形式，讲述了两位科学家对单克隆抗体的研究过程，以使学生认识到丰富的联系和想象在科学创新中的重要作用。这部分内容在表述形式上采用的是示意图与文字相结合的方式，并配以“小知识”“思考与探究”等多种栏目启发学生思考，其目的是使学生在训练思维的过程中对“单克隆抗体制备技术”有较为深入的理解。

2 教学目标

2.1 知识目标

① 说明动物细胞融合与植物体细胞杂交的异同；

② 简述动物细胞融合和单克隆抗体制备的过程、方法与原理；

③ 了解单克隆抗体在医学实践中的应用，说出应用实例。

2.2 能力目标

① 比较植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术区别，培养知识迁移能力；

② 尝试设计单克隆抗体制备实验方案，培养科学思维能力；

③ 通过过程图解读和相关原理、方法总结，培养分析归纳信息能力。

2.3 情感、态度与价值观目标

认同科学技术的诞生离不开丰富的联想和想象。

3 教学过程

3.1 新课导入，比较植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术区别与联系

通过《必修1·分子与细胞》的学习，知道了1970年两位科学家做了人—鼠细胞融合实验，证明了细胞膜上的蛋白质是可以运动的即细胞膜具有一定的流动性。那么，如何实现人—鼠细胞融合？诱导动物细胞融合有什么用途？科学家为什么直到1970年才开展人—鼠细胞融合实验？这就是本节课要解决的主要问题，从而引出课题“动物细胞融合与单克隆抗体”。

对于“科学家为什么直到1970年才开展动物细胞融合实验”这一问题。教师先安排学生自主阅读“动物细胞融合技术发展史”以加深学生对科学史和本质的认识，使学生进一步受到科学史、科学方法和科学价值观的教育。教师创设问题串：

① 为什么灭活的仙台病毒仅能诱导动物细胞融合？其机理是什么？仙台病毒不灭活可以吗？为什么？

② 动物细胞完成融合的标志是什么？请用语言阐述动物细胞融合过程。

③ 动物细胞融合技术与植物体细胞杂交技术有什么区别与联系？

教师引领学生阅读教材，相互补充、完善以上问题答案后，再依据学生原有认知，引导、启发学生理解植物体细胞杂交技术与动物融合技术的区别、联系：

① 由于动物细胞没有细胞壁这一结构，因此在诱导融合过程中不需用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁；由于诱导融合需要用到大量细胞，因此在诱导融合前需要用胰蛋白酶和胶原蛋白酶处理相关组织使其分散成单个细胞、以获取大量单个细胞。

② 由于植物细胞有细胞壁，因此人们可以依据杂种细胞能再长出新的细胞壁，作为判定植物细胞完成融合的标志；由于动物细胞没有细胞壁，因此只能依据杂交细胞经过有丝分裂之后，能形成两（多）个相同的杂交细胞，作为判定动物细胞完成融合的标志。

③ 由于动物细胞（原生质体）融合都依赖细胞膜的流动性才得以完成，因此两者在该方面的基本原理相同，但由于植物细胞具有全能性、动物细胞没有全能性，致使它们另一个基本原理有差异即植物体细胞杂交技术是细胞的全能性、动物细胞融合技术是细胞的增殖，这也是两者后续运用到的基础技术及其应用基础略有差异的原因，即前者后续运用到了植物组织培养技术，后者后续运用到了动物细胞培养技术；前者获得杂种植株，后者获得杂交细胞及其产物。

④ 依据生物资料卡，我们可以推测动物细胞膜上的糖蛋白能与灭活仙台病毒表面含有的糖蛋白和一些酶发生作用，致使细胞得以相互凝聚、融合；由于植物细胞膜上的物质与灭活仙台病毒表面的糖蛋白与酶不具有特异性，致使原生质体不能凝聚、融合。

学生理解两者区别、联系后，教师再引导、启发学生运用思维地图中的双气泡图构建知识框架，以完善、优化学生认知结构，降低他们的记忆难度，拓宽记忆容量（图1）。

3.2 探讨传统抗体生产缺陷，尝试设计解决方案

以“非典”为背景，教师引导学生学习传统抗体生产缺陷：在非典流行时，你作为疑似感染人员，医生用传统方法生产的非典病毒抗体来帮助你诊断是否被感染，结果可靠吗？为什么？

教师先留有时间给学生发表看法，之后再创设问题串：

① 请联系免疫调节相关知识解释传统生产的抗体产量低、纯度低、特异性差的原因。

② 什么是单克隆抗体？如何理解“单”“克隆”“单克隆抗体”这三个词？

③ 克隆指的是克隆B细胞还是克隆浆细胞？为什么？

④ 请尝试运用动物细胞融合技术设计一个能解决传统抗体生产缺陷的实验方案。教师引领学生阅读教材并对以上问题进行交流、讨论，以矫正学生原有的认知局限，强化学生对传统抗体生产缺陷、单克隆抗体概念的理解。学生补充完善①至④的问题答案后，教师要求小组派代表上黑板展示小组设计的实验方案，其他小组再补充、完善（图2）。

最后教师再小结、点拨，以深化学生对“传统抗体生产缺陷”“单克隆抗体概念”理解的同时也为后续学习单克隆抗体制备奠定基础。传统抗体生产的本质是吞噬细胞摄取、处理、暴露病原体特定抗原决定簇并呈递给T细胞，T细胞再释放淋巴因子活化B细胞（病原体表面上特定的抗原决定簇也可以直接刺激B细胞）致使B细胞增殖分化成特异性的浆细胞，再由浆细胞分泌特异性抗体。由于动物在生活中会接触多种天然抗原，每个天然抗原物质可有多种和多个决定簇，因此虽然反复给免疫动物注射某种抗原加强免疫，在该动物血清中还是会有多种多样的抗体混杂在一起（这也是教材所讲“动物在免疫反映过程中，体内产生的特异性抗体种类可多达百万种以上”的原因），难以对某种抗体加以分离、提纯且在体外培养条件下B细胞不能无限增殖，致使传统生产的抗体产量低、纯度低、特异性差、灵敏度低。虽然动物在免疫反应过程，体内产生的特异性抗体种类多达百万种以上，但是每一个B细胞只分泌一种抗体。要想获得大量的单克隆抗体，必须克隆单一的B细胞形成细胞群，因此单克隆抗体中的“单”指的是“一个（一种）”“克隆”指的是B细胞的增殖，“单克隆抗体”指的是一个B细胞增殖后，只产生一种特异性的抗体。

对于学生疑问：抗体是由浆细胞产生的，为何诱导融合时选用的是B细胞而不是浆细胞？教师可引导学生从以下两个视角理解：

① 浆细胞不具有识别抗原决定簇能力；

② 浆细胞不能进行增殖，只能由B细胞增殖分化形成。

最后教师肯定学生设计的实验方案，进入单克隆抗体制备的学习：同学们这个极富创造性的实验方案，与当初科学家的设想是一样的，那么科学家是如何通过单克隆抗体制备，获取大量单克隆抗体的呢？

3.3 单克隆抗体的制备

教师抓住技术流程和筛选主线（细胞的获取→细胞的融合→细胞的筛选→细胞的培养）（图2），创设问题串：

① 给免疫老鼠注射特定抗原蛋白的目的是什么？B细胞、骨髓瘤细胞分别具有什么特点？

② 诱导细胞融合的手段有哪些？哪种为动物细胞特有？

③ 制备单克隆抗体时，为什么要选用B细胞与骨髓瘤细胞融合形成杂交瘤细胞？

④ 为什么不用两个而要用多个细胞进行动物细胞间的融合？诱导细胞融合过程中，培养液中会产生几种细胞类型？杂交瘤细胞有什么特性？

⑤ 第1次筛选的目的是什么？第2次筛选的目的又是什么？

⑥ 得到能产生单克隆抗体的杂交瘤细胞后，如何解决单克隆抗体产量的问题？单克隆抗体具有什么优点？假如你掌握了动物融合技术，你除了用来制备单克隆抗体以外，你还想用它来解决什么问题？

教师引导学生阅读教材内容、解读单克隆抗体制备过程图解，相互交流、讨论、补充、完善，以培养学生分析归纳信息的能力。对于学生分析单克隆抗体制备示意图过程中产生“为什么要进行专一性抗体检测阳性、两次专一性抗体检测阳性目的一样吗？”等问题，教师可作相应的知识拓展及知识构建，以深化学生对第一次筛选目的和第二次筛选目的的理解（图3）。

3.4 单克隆抗体应用，归纳、总结知识

让学生举例说明单克隆抗体应用，教师再进行小结：无论单克隆抗体哪一方面的应用，都是利用单克隆抗体特异性强、灵敏度高这一优点。例如由于单克隆抗体特异性强、灵敏度高，因此医生用杂交瘤细胞生产的单克隆抗体诊断某人是否感染非典要比传统方法生产的非典病毒抗体诊断结果要可靠。

最后教师引导、启发学生设计表格比较植物细胞工程产物与动物细胞工程产物生产技术上的区别、联系，以完善、优化学生的认知结构（表1）。

4 教学反思

本教学设计以教材编写思路、学生原有认知结构等为基础，通过创设问题串，引导、启发学生理解灭活仙台病毒诱导动物细胞融合原理、动物细胞融合过程、植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术区别和联系，培养学生知识迁移能力，对学生进一步进行科学史、科学方法和科学价值观的教育；通过学生相互补充、完善单克隆抗体制备实验方案，培养学生科学思维能力；抓住单克隆抗体制备的技术流程和筛选主线，以问题为导向，启迪学生思维，帮助学生理解单克隆抗体制备原理与应用，培养学生综合运用知识解决问题的能力，同时使他们认同科学技术的诞生离不开丰富的联系和想象；引导、启发学生设计表格归纳、总结知识，完善、优化了学生原有认知结构，有效达成预期的教学目标。