第二节 干细胞
一、干细胞概念及其分类
干细胞是机体中能进行自我更新(产生与自身相同的子代细胞)并具有多向分化潜能(分化形成不同细胞类型)的一类细胞(图14-5)。它们在个体发育和成体维持等生命过程中，起着关键和决定性的作用。
根据分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞( totipotent stem cell)、多潜能干细胞( pluripotent stemcll)多能干细胞( multipotent stem cell))和单能干细胞( Impotent stem ce)。干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为终末分化( (terminal differentiation)
全能干细胞具有分化形成完整生命体的潜能或特性。实际上，真正含义上的哺乳动物全能干细胞只有受精卵和卵裂早期的细胞(目前认为一般不超过16个细胞的卵裂球)。它们不仅可以分化形成三个胚层中的各种类型的细胞，最终产生子代个体，而且还能分化成为胚胎提供营养的包括胎盘组织(胎儿部分)在内的胚外组织。多潜能干细胞通常是指在一定条件下，能分化产生三个胚层中各种类型的细胞并形成器官的一类干细胞，如胚胎干细胞和生殖嵴( genital ridge)干细胞。例如，小鼠的胚胎干细胞在体内和体外都可以分化产生三个胚层的各种细胞类型，当移植到囊胚中后，还可以形成嵌合体( (chimera)。更重要的是，通过四倍体互补( tetraploid complementation)技术，小鼠胚胎干细胞可以形成完整的胚胎个体。多能干细胞仅具有分化形成多种细胞类型的能力。单能干细胞则只能向一种或密切相关的几种终末细胞类型分化。
根据来源不同，干细胞又可分为胚胎干细胞 embryonic stem cell，，sc)和成体干细胞( adult stemce)。胚胎干细胞是来自胚胎发育早期囊胚内细胞团的种高度未分化的细胞，其具有在体外培养无限增殖自我更新和多向分化的特性。根据干细胞的组织来源的不同，成体干细胞还可以分为造血干细胞、间充质干细胞、神经干细胞、肌肉干细胞、肠干细胞等。因此，成体干细胞又称组织干细胞。
干细胞的增殖表现为两种方式：对称性分裂和不对称性分裂。前者常见于干细胞自身数目的扩增，而后者除了自我更新外，还产生了分化的细胞。这些复杂的过程是在特定的体内环境中精确调控完成的，因此在体外培养条件下，如何在干细胞传代培养过程中，维持其自身的干细胞特性不变，以及如何在体外诱导干细胞通过定向分化获得某种类型的细胞，一直是干细胞研究领域中要解决的核心问题。
在整个发育过程中，细胞的分化潜能逐渐受到限制，即由发育早期的全能性细胞逐渐过渡为发育后期和成体中的多能和单能干细胞，最终形成特定细胞谱系中的某一终末分化细胞类型。但是在特殊的情况下，这过程可以被逆转。动物克隆技术的基本理论问题或主要难题之一是体细胞核的重编程( reprogrammIng)问题，即已分化细胞的染色质如何通过重新“编程”回到初始未分化的细胞状态，然后才有可能沿正常的发育程序分化成各种类型的细胞。在早期的研究中，J. Gurdon利用两栖类动物进行核移植试验证明，将蝌蚪的肠上皮细胞的细胞核植入去核的卵子中，能发育成蝌蚪甚至发育成蛙。1997年英国科学家. Wilmut等将羊的乳腺细胞的细胞核植入去核的羊卵细胞中，成功地克隆了名为多莉”的克隆羊，人们称之为生殖性克隆。随后关于小鼠、大鼠、狗、牛、猪和猴等一系列动物克隆成功的报道，进一步证明了即使是哺乳动物终末分化的细胞，也可以通过细胞重编程逆转成为具有全能性的干细胞。
二、胚胎干细胞
胚胎干细胞是一种广为人知的多潜能干细胞，而它的建立与胚胎发育的研究息息相关。个体发育的起点是精子与卵子结合形成受精卵，随后受精卵进一步发生细胞分裂会形成一个内部存在空腔的球状结构，被称为囊胚( ( blastocyst))。在囊胚阶段，胚胎细胞第一次出现了细胞类型的分化：囊胚的外层细胞形成了滋养层细胞( trophoblast)，将发育成为胚胎提供营养的组织胎盘的一部分；囊胚腔内侧的一群细胞被称为内细胞团(iner cell mass，iCM)，细胞数为140~150个(小鼠)，它们将进一步形成胚胎( embryo)和卵黄囊( yolk sac)，最终发育成个体。胚胎干细胞就来源于囊胚的内细胞团。
胚胎干细胞的建立要追溯到20世纪80年代小鼠胚胎干细胞的建立。1981年，首株小鼠胚胎干细胞由剑桥大学的 M. I. Evans：和M.h. Kaufman从小鼠的内细胞团分离建立。他们发现，通过将受精后3.5天的小鼠囊胚的内细胞团培养在增殖停滞的小鼠成纤维细胞饲养层上，可以维持内细胞团的未分化状态，并且可以在体外持续传代。这项研究为基因打靶技术的建立打下了基础，开创了哺乳动物功能基因组学研究的新途径，并于2007年获诺贝尔生理学或医学奖。1998年，美国威斯康星大学JA. Thomson等成功地建立了人胚胎干细胞系(图14-6)。
此后，在 Thomson等工作的基础上，包括我国在内的很多国家的实验室相继建立了多株人胚胎干细胞系成果极大地推进了细胞分化与胚胎发育，特别是人类胚胎早期细胞分化机制的研究。同时，也为在体外获得各种人体功能细胞提供了新的干细胞来源，开辟了生物医学一个崭新的领域基于人胚胎干细胞系的建立和克隆羊的成功，2001年B. Haseltine提出了再生医学( regenerative medicine)的概念，这 在将治疗性克隆(有别于上述生殖性克隆)技术与人胚胎干细胞的制备相结合，利用体外构建的患者自身来源的干细胞，分化产生无免疫排斥的组织与器官，用于疾病治疗的全新的理念，开启了生物医学的新纪元(图14-7)。
干细胞生物学特性的维持及其定向分化，主要受控于不同类型信号分子和信号通路网络，以调控干细胞的自我更新或干细胞的定向分化(图14-8)。例如，信号分子FGF、Wnt和TGFβ等通过调控关键多潜能性基因 (pluripotency gene)oct4、Sx2、 Nanog的活性，从而使人胚胎干细胞完成自我更新；而骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，MP)通过激活通路下游的 SmadI/5/8靶点，则可启动人胚胎干细胞的分化。不同类型的干细胞所受到调控的信号分子和通路有所不同。而同一信号通路，对不同类型的干细胞的调控作用也可能有所不同。例如，BMP信号通路能够促进小鼠胚干细胞的自我更新，却会导致人胚胎干细胞的分化。另方面，信号分子和通路的调控效果与其作用浓度是密切相关的。例如，低浓度的 activin/ Nodal信号分子能够促进人胚胎干细胞的自我更新，而高浓度的 actlvin/ Nodal信号分子却会促使其分化。总之，正是通过不同类型、不同剂量的信号分子和通路的组合，实现了对机体不同类型的千细胞在自我更新和分化方面的复杂调控(图14-8)。
三、成体干细胞
生物成体中，多数细胞都是有一定寿命的，它们的存活时间远远短于生物体的寿命。而且疾病和物理或化学损伤，还会加速成体细胞的细胞衰老和死亡。因此生物体需要产生足够的各种不同类型的细胞，以维持机体的代谢平衡。这一工作主要是由存在于各种组织和器官中的干细胞完成的，我们称之为成体干细胞或组织干细胞，它们的基本功能是分化产生某些类型的终末分化细胞。目前已经知道，成体干细胞广泛地存在于多种组织，如造血系统、皮肤、肠、卵巢、睾丸和肌肉中，甚至成年脑的某些部位也都存在这样的一群干细胞。然而，在某些组织例如肝脏和胰岛中，已分化的细胞仍具有很强的再生能力。例如小鼠等哺乳动物部分肝脏被切除后，几周内肝脏就会恢复到原来的大小。所以，这类组织中是否也存在成体干细胞，目前仍未有定论。
成体干细胞有不同的分裂模式，它们可以对称分裂成两个和自身一样的子代干细胞，具有自我更新(self- renewal)的能力，使干细胞在个体的一生中都可以保持定的数量。同时，它们也可以通过不对称分裂形成一个干细胞和一个祖细胞( (progenitor)。祖细胞可以快速地分裂，形成各种分化细胞。与干细胞不同，祖细胞只有有限的分裂次数。
成体干细胞需要特定的微环境来维持它们的生物学特性。除了内在的调控信息外，周边的细胞，胞外基质及其外源的信号，对干细胞状态的维持也是必需的。这种提供特定胞外信号的微环境称为干细胞巢(stem-ellnche)。成体干细胞另一个特征是通常细胞分裂很慢，有些是受到外界信号刺激才会分裂，例如皮肤损伤会激活皮肤干细胞的分裂。而另一些成体干细胞，如肠干细胞则持续不断地进行缓慢的分裂，以补充肠上皮细胞的脱落。
存在于人体骨髓中的造血干细胞可以分化成多种髓系细胞、红细胞和淋巴细胞等十种以上的血液细胞(图14-9)；骨髓间充质干细胞也具有分化为成骨细胞、软骨细胞等多种细胞的分化潜能；小肠上皮中的干细胞，能够分化为小肠上皮细胞等类型；神经干细胞可分化产生神经元、寡突胶质细胞和星形胶质细胞等细胞，通常称这类干细胞为多能干细胞。多能干细胞属于成体干细胞的范畴，其分化的潜能是有限的，一般局限于分化产生同一胚层的细胞类型。单能干细胞仅能分化产生一种或几种类型的细胞，如生殖嵴干细胞只能产生生殖细胞。显然这与各种干细胞所存在的部位，自身的特征以及它们所承担的功能相关。目前，各种干细胞，特别是多数组织干细胞，其确切的表面标志分子还知之不多，这对成体干细胞的分离纯化及其生理功能和分化机制的研究带来很大的困难。因此，对干细胞的分类及生物学特征，还需进一步研究
(-)造血干细胞
造血干细胞是干细胞研究与应用领域中开展最早，也是迄今为止了解最深入的一种成体干细胞，自上世纪60年代开展骨髓移植治疗血液疾病以来，已得到广泛的临床应用。成体哺乳动物的造血干细胞大部分存在于骨髓中，所以，骨髓移植实质上是造血干细胞的移植。多数造血干细胞处于静息态，即G期，只有小部分造血干细胞处于比较活跃的细胞分裂状态。多种生理因素的变化，如缺氧等，都会刺激造血干细胞增殖。在成体骨髓特定的微环境中存在有数量较少的长期造血干细胞ong- -term hematopoietic stem cell，，-SC)，它们具有极强的自我更新能力，因而在维持机体终生造血的过程中起着主要的作用。长期造血干细胞在骨髓中可以分化成短期造血干细胞( short- -term hematopoietic stem cell，ST-HSC)，短期造血干细胞只具备有限的自我更新的能力，因而只能在一定时期内维持机体的造血机能。短期造血干细胞可以继续分化成多能前体祖细胞( multipotent progenitor，mP)，进一步分化成共同淋巴系前体祖细胞( common lymphoid progenitor，，Clp)或共同髓系前体祖细胞( common myeloid progenitor，MP)等。图14-9扼要图示造血干细胞分化成各种血细胞的基本途径，其分化与调控的很多细节还有待于深入研究。在骨髓移植的临床实践中，可以看出造血干细胞和祖细胞之间的明显差异：只有造血干细胞具有重建整个造血系统的能力，而祖细胞尽管数量很多，却没有这种能力，这也作为目前鉴定造血干细胞的金标准。
造血干细胞的维持，自我更新以及谱系分化受到诸如SCF、TPO、Ft3配体、GM-CSF、EPO等细胞因子和3、6等白介素以及 Notch、Wnt、BMP4等多条信号通路的调控。
(二)神经干细胞
神经干细胞是一类被广泛研究的组织干细胞，其研究为预防和治疗神经退行性疾病提供新的思路。在胚胎发育早期，神经管由一单层细胞组成。而这单层细胞就是胚胎神经干细胞( ( embryonic neural stem cell))，它将发育成整个中枢神经系统。这些神经干细胞可以通过对称分裂的方式形成两个子代干细胞，也可以不对称分裂形成一个干细胞和另一个向外迁移的细胞，称之为短暂增殖细胞( ( transient amplifying cel)。短暂增殖细胞可以形成神经祖细胞，向外迁移形成连续的神经层。示踪实验证明神经祖细胞可以产生一个神经细胞和一个胶质细胞。相反，神经干细胞会一直留在原来的干细胞巢中，即室管膜下区( subventricular zone，z)，以维持其干细胞特性。干细胞巢中有特定的信号分子来维持神经干细胞的特性，例如FGF、BMP、IGF、VEGF、TGFa和BDNF等信号分子，但是这些信号分子究竟如何组合精细调控干细胞的维持和分化，目前仍然不完全清楚。
多年以来，人们认为成年哺乳动物的脑中没有新的神经元的生成。确实在大多数哺乳动物成年脑中神经细胞停止分裂，但在室管膜下区和海马附近的区域有一部分细胞作为干细胞可以分裂产生新的神经元。与其他的干细胞类似，这些神经干细胞可以自我更新和分化产生神经元、星形胶质细胞和寡突胶质细胞。为了分离和鉴定这些神经细胞的特性，将室管膜下区的细胞分离出来并在FGF2或EGF生长因子存在的条件下培养一些细胞可以增殖并维持未分化的状态。而在另一些因子的刺激下，这些未分化细胞可以分化成胶质细胞和神经元。一系列相关的实验证明了成年脑中神经干细胞的存在。
(三)肠干细胞
肠上皮细胞更新很快，平均每五天就会全部更新一次。在肠壁深处的隐窝( (crypt)中存在一群肠干细胞可以连续不断地分化产生肠上皮细胞。肠干细胞的附近存在一些已分化的潘氏细胞( Paneth cell)，但是由于肠干细胞缺乏特殊的形态学特征，很难区分干细胞和其周围专门形成干细胞巢的支持细胞。脉冲示踪实验表明肠干细胞可以产生前体细胞，前体细胞增殖并向外迁移分化，逐渐形成突起的小肠绒毛(viil(图14-10)。分化细胞从隐窝中产生到在绒毛尖端死亡脱落，仅仅只有3~4天。因此，需要干细胞持续产生大量细胞，来维持肠上皮的完整。新细胞的产生是受到精确调控的，过少的分裂会导致小肠绒毛的减少和小肠上皮的瓦解，而过多的分裂可能会导致肿瘤的发生早期的遗传学实验证明Wnt信号对肠干细胞的维持有重要作用。如过表达β-联蛋白(Wnt下游效应蛋白)会引起肠上皮的过度增殖；相反，干涉Wnt激活的TCF转录因子，则会抑制肠干细胞的分裂。事实上，过度激活Wnt通路的基因突变是结肠癌的主要原因。
通过分析一系列Wnt信号所诱导的基因表达产物，H. Clevers团队找到一个只在隐窝中少数细胞才表达的G蛋白偶联受体Lgr5。研究发现将单个表达Lgr5的细胞从肠隐窝中分离出来，并在含有Ⅳ型胶原和层粘连蛋白( amini)的细胞外基质中进行三维培养，这些细胞可以在体外形成小肠隐窝-绒毛样结构，其中包含了所有成熟肠上皮中的四种细胞。实验表明Lgr5是肠干细胞特有的一个标志。
潘氏细胞能产生几种抗菌蛋白来保护肠上皮免受感染，最新的证据表明潘氏细胞是形成干细胞巢的主要部分。体外培养的潘氏细胞能产生Wnt和其他因子例如GF和 Delta蛋白，这些对肠干细胞维持是必需的。将潘氏细胞和小肠干细胞体外共培养，可以显著地促进隐窝-绒毛样结构的形成。转基因小鼠实验证明，潘氏细胞数量的减少会引起小肠干细胞的减少。显然，作为小肠干细胞分化而来的潘氏细胞，它们分布在肠干细胞周围并参与形成干细胞巢
四、细胞命运重编程与诱导性多潜能干细胞
随着发育的进行，细胞的分化潜能不断丧失，由全能性到多能性、单能性、直到形成特定终末分化的细胞类型。长期以来，人们认为这是一个不可逆的过程，细胞命运一旦最终决定就无法更改。然而，1962年 Gurdon利用体细胞核移植( somatic cell nuclear transfer，SCNT)技术，将爪蟾的体细胞核移植到去核的卵细胞中，发育成正常的个体。证明了动物的细胞核可以通过重编程到全能性的状态，揭开了细胞命运重编程的序幕。此后，核移植技术被成功应用到羊和小鼠等其他物种中，进一步证实了体细胞命运可逆的现象。1983年，H.blau等发现将羊膜细胞与肌细胞融合后，本来已经在羊膜细胞中沉默的肌肉相关的基因又重新被激活，提示了不同命运的终末分化细胞之间存在相互转变的可能。2001年，M.Tada等研究发现通过将体细胞与胚胎干细胞融合，也可以使体细胞回到多能性的状态。上述研究结果从不同角度证明了终末分化细胞的命运是可以通过细胞重编程改变的，改变了长期以来人们认为终末分化的细胞命运不可逆转的观点。
上述研究表明，卵母细胞和胚胎干细胞中存在的某些因子，能够诱导细胞重编程过程的发生。但是究竟是哪些因子决定了重编程的发生，是一个长期未能解决的问题。由于卵母细胞和胚胎干细胞中的活性因子非常丰富，细胞重编程又是一个非常复杂的生物学过程，所以，人们普遍认为使用少量已知的因子来诱导细胞重编程是不可能实现的。然而，日本京都大学山中伸弥( ( Shinya Yamanaka)实验室选取了24个对胚胎干细胞维持重要的基因，在小鼠的成纤维细胞中分组表达，结果发现，利用逆转录病毒，同时转入4种基因(Oct4、Sox2、c-Myc和Kf4)就可以诱导成纤维细胞变成多潜能干细胞，称“诱导性多潜能干细胞”(iPS细胞)(图14-11)。由于这一开创性的工作，山中伸弥获2012年诺贝尔生理学或医学奖。iPS细胞与胚胎干细胞均属多潜能干细胞，二者有着极大的相似性。如特异基因的表达、DNA甲基化模式、增殖时间、体内畸胎瘤( teratoma)的形成、可发育成嵌合体，以及体外定向分化能力等，PS细胞都与胚胎干细胞类似。近年来，人们发现Wnt，TG，p53等越来越多的信号通路及表观遗传靶点参与调控iPS细胞形成，同时也提出了一些与之相关的重要的理论模型。
在山中伸弥最初使用的四种诱导产生iPS细胞的基因中，作为原癌基因的c-Myc一方面促进了细胞的自我更新能力，另一方面也增加了iPS细胞的成瘤性，给其临床应用带来了一定风险。随后的研究结果表明，在没有c-Myc的条件下也能将鼠和人的体细胞诱导成iPS细胞。与此同时，研究者们应用多种技术，如以腺病毒质粒为载体，替代逆转录病毒，以及向细胞中转入有关的蛋白质、RNA等，均可诱导PS细胞的产生，从而降低了iPS细胞的成瘤风险。但这些技术因其操作复杂，在临床应用中仍受到很大的限制。近些年来，利用具有生物活性的化学小分子提高重编程效率以至完全替代转录因子，成为新一代细胞重编程技术研发的热点。化学小分子具有操作简单、容易通过细胞膜、其作用具有可逆性等特点，人们可以利用不同化学小分子的组合以及合适的处理时间和浓度，实现对某些特异蛋白的激活或抑制，以实现对细胞重编程的精确调控。2013年我国邓宏魁实验室首次实现通过小分子化合物的组合，成功地诱导小鼠体细胞转变成为多潜能干细胞，称为“化学诱导的多潜能干细胞”( chemically induced pluripotent stem cell，，is细胞)(图14-12)。在这项研究中，研究者们使用小分子化合物的组合，调整了Wnt、TGFβ信号通路的活性，改变了表观遗传修饰，快速激活Sal4Sox2等干性基因，最终将小鼠体细胞诱导成多潜能性干细胞。在CiPS细胞诱导过程中，细胞经历了一个类似胚外内胚层的中间状态，表明CiPS细胞形成的分子机制有别于以往的体细胞重编程途径，这有助于我们更好地理解细胞命运决定和细胞命运转变的机制。
近年来，科学家发现多潜能干细胞(包括胚胎干细胞和iPS细胞)的细胞性质都是不均一的。对应于体内的不同发育阶段，处于早期的多潜能干细胞称为原始态 naive)多潜能干细胞，处于晚期的多潜能干细胞称为始发态( primed)多潜能干细胞。例如，1981年 Evans建立的小鼠胚胎干细胞属于原始态多潜能干细胞，具有增殖速度快、细胞异质性小等特征，有利于通过基因打靶技术制备各种小鼠突变体，用于功能基因组研究；而1998年 Thomson建立的人胚胎干细胞则属于始发态干细胞，具有细胞克隆形态扁平、细胞异质性大等特点。目前，人们通过优化细胞培养条件，已建立了具有原始态的人多潜能干细胞。
然而，胚胎干细胞和多潜能干细胞只具备分化形成胚胎，而不具备分化形成胚外组织(胎盘等)的能力。经过不懈的努力，2017年，我国科学家利用化学小分子组合，建立了具有高发育潜能的小鼠和人的多潜能干细胞，单个干细胞就可以分化形成胚内组织和胚外组织，为实现在体外获得具有全能性特征的干细胞的目标，迈进了一大步
五、谱系重编程
除了将人胚胎干细胞或iPS细胞等多潜能性干细胞分化为特定的体细胞，用于再生医学研究外，谱系间的重编程( lineage reprogramming)也受到人们极大的关注。转分化是谱系间重编程的一种方式，即一种类型已分化的细胞转变成为另一谱系的分化细胞。这样就不需要通过重编程，先把体细胞转化成iPS细胞等原始状态的多潜能干细胞，再诱导分化为特定的细胞类型。最早的例子是在成纤维细胞中过表达MyoD基因，使其转分化为成肌细胞。随后的一些实验多利用单一的组织特异性的转录因子，实现了相近的谱系间细胞的转分化。iPS技术的成功也给转分化带来了新的思路。2010年，M. Wernig的研究团队利用3个转录因子( Ascll、Brn2和Myt11)将小鼠成纤维细胞转分化为神经细胞，首次证明了利用转录因子组合，实现不同胚层间转分化的可能性。随后的几年，人们通过转分化途径，制备了心肌细胞、肝细胞和造血干细胞。例如在人的成纤维细胞中过表达向肝细胞转变和成熟的6个转录因子HNF1A等，可以将成纤维细胞直接转分化为具有生理功能的肝细胞(图14-13)。
如前所述，细胞分化、细胞重编程，以及细胞谱系重编程等细胞命运之间的转变，都包含细胞类型之间表观遗传修饰的改变。该过程主要包含了DNA甲基化及去甲基化、组蛋白修饰(如组蛋白甲基化、乙酰化等)的添加和擦除，这些修饰能够通过影响基因转录来调控细胞类型特异性表达的基因的转录开启或关闭。因此，细胞命运转变的实质是细胞原有表观遗传修饰的擦除和新的细胞命运表观遗传修饰的重新建立。例如，在重编程过程中，首先发生的是分化细胞特异表达基因的转录抑制，伴随着对促进分化基因转录活性的表观遗传修饰的擦除，以及添加抑制这些分化基因转录活性的表观遗传修饰；然后是擦除干性相关基因上抑制性的表观遗传修饰，以及添加促进干性相关基因转录活性的表观遗传修饰。这些表观遗传修饰的改变是细胞重编程的必要条件。
六、干细胞应用
干细胞的研究方兴未艾，干细胞的应用也十分广泛。目前，基于成体干细胞(如造血干细胞、间充质干细胞)的某些干细胞技术已经在临床治疗上得到应用，其范围不断拓宽。例如骨髓移植即造血干细胞移植，最早用于治疗再生障碍性贫血，20世纪50年代发现其对白血病有较好疗效，这一具有里程碑意义的临床实践，使E.D. Thomas医师获得了1990年的诺贝尔生理学或医学奖。随后，造血干细胞移植逐步用于血液系统其它肿瘤甚至恶性实体瘤的治疗。最近，造血干细胞移植被应用于艾滋病治疗中，通过向艾滋病患者移植具有Ccr5基因(该基因产物为HIV病毒侵染T细胞所必需的辅助受体)缺陷的造血干细胞，实现了首例治愈艾滋病的病例。
细胞治疗则是人多潜能干细胞技术中最引人瞩目的应用领域。近年来，通过体外对人胚胎干细胞的定向诱导分化，已成功获得了血细胞、神经细胞、心肌细胞肝实质细胞、胰岛β细胞等多种人的体细胞，从而为细胞治疗和再生医学的临床应用打下基础。同时，也为药物筛选和毒性评估提供了新的平台。如胰岛移植是治疗I型糖尿病的有效方法，但是胰岛细胞的来源问题，极大地限制了其临床应用。人们将人多潜能干细胞，在体外定向分化胰岛β细胞，当移植到糖尿病模型小鼠体内后，血糖明显地恢复到正常值(图14-14)。这为I型糖尿病的治疗提供了一条可行的途径，相关的临床试验已开始启动。
相对于人胚胎干细胞，诱导性多潜能干细胞在临床应用中规避了伦理问题，因此有着更为广泛的应用前景。从理论上讲，可以从病人身上获取体细胞，诱导形成iPS细胞，进而遵循再生医学的思路，设计出有针对性的、个体化的治疗方案。2014年，日本笹井芳树( Yoshiki Sasai)等取患者的皮肤细胞，经细胞重编程处理后获得iPS细胞，再将其诱导分化成视网膜色素上皮细胞( (retinal pigment epithelium)用于治疗老年性黄斑变性。
如何获得功能成熟的细胞类型，是干细胞研究和应用领域中的一大难题。基于三维培养体系形成的类器官( organoid)，具有更成熟的功能，成为了近年来干细胞领域的重要研究手段。类器官是一种由干细胞发育而来的具有器官特性的细胞集合体，这种细胞集合体能够模拟体内的细胞分化和器官空间构成。最近十年，类器官的定义逐渐演变成在三维培养体系中，具有器官特性和空间结构的细胞群体，其主要来源于多潜能性干细胞和成体干细胞。目前，通过这种途径已经能获得多种类器官，包括肠、胃、肝、肺、肾和脑等。其中，利用人多潜能干细胞分化产生脑类器官已初步具备不同人脑区域，为研究神经相关疾病提供很好的模型。另外，小鼠多潜能干细胞来源的肾脏类器官，形成了肾脏三维结构，为今后获得完整生理功能以及器官移植奠定基础。类器官不仅为干细胞研究提供了新手段，更为干细胞研究向临床转化研究向前迈进了一大步。
近20年来干细胞研究中所取得的令人瞩目的成果，不仅展示出诱人的应用前景，同时也极大推进了细胞分化和胚胎发育机制的研究。特别是对已建立起来的有关细胞分化潜能、细胞分化和终末分化细胞等传统的概念提出了挑战，以至人们需要重新审视什么是干细胞，什么是分化细胞。随着新的研究模式系统和实验手段(如iPS技术和单细胞测序技术等)的建立和应用，人们对细胞分化领域的相关概念，将赋予新的涵义。
干细胞领域目前面临的关键问题主要包括，如何建立全能性干细胞?如何维持多潜能干细胞体外扩增培养的稳定性?如何实现干细胞分化过程中精细的时间和空间调控?如何产生功能成熟的各种细胞或者组织来应用于治疗各种疾病?目前，结合单细胞测序技术，已广泛开展各谱系细胞体内发育及体外细胞图谱的绘制工作，相信随着这些工作的不断完善，有望实现干细胞分化过程的精细调控以及获得功能成熟的细胞或组织。
