結構生物化學/幹細胞

在細胞生物學中，多能性被定義為“細胞根據環境發展成多種成熟細胞型別的潛力”。 所以如果一個細胞是多能的，它就有可能將自身轉化為肺細胞、心肌細胞等等。 多能性描述了早期胚胎中特定細胞的細胞狀態。 幹細胞代表著一類未特化的細胞，它們具有獨特的潛能，可以發育和成熟為各種具有不同功能的特定型別的細胞。 透過成熟和細胞分裂過程，幹細胞可以特化、生長和替換活生物體內的不健康細胞。 細胞複製後，這些細胞要麼成熟並專門從事功能，要麼保持未特化的幹細胞狀態，這保留了細胞根據身體需要特化的潛能。 這些細胞不僅能夠在功能上特化，而且還能夠結合起來替換受損組織。 科學家目前正在研究的兩種型別的幹細胞是：胚胎幹細胞和成體幹細胞。 1981 年，科學家首次發現了從老鼠胚胎中提取胚胎幹細胞的方法，1998 年，科學家取得了進一步的進展，並開發了從人類胚胎中提取和收穫幹細胞的方法。 由於幹細胞能夠自我複製，因此它們為治療糖尿病和心臟病等疾病提供了巨大的潛力。 這些細胞用於治療某些疾病的應用被稱為修復醫學，目前是當今社會和文化中爭論的熱點話題。 幹細胞還為篩選新藥以及研究某些出生缺陷是如何以及為什麼發生的提供了潛力。 幹細胞療法為醫學以及人類生長和發育提供了深刻的見解，目前正在進行研究，以尋找方法將這些細胞所能帶給現代醫學的所有進步完全實現。

幹細胞的特點是它們能夠分化成多種特化的細胞，並且能夠無限生長。 它們具有兩個屬性

• 自我更新：能夠無限地進行細胞分裂，同時保持其未分化狀態。 幹細胞能夠做到這一點是因為它們擁有活躍的端粒酶。
• 潛能：在訊號的響應下分化為特化細胞型別的能力。 皮膚細胞、心肌細胞和神經元都具有相同的基因組，但它們都是不同的細胞。 這是由於分化和不同的 RNA/蛋白質組合造成的。

幹細胞通常分為兩類：胚胎幹細胞或成體幹細胞。

全能性

全能性被定義為細胞轉化為生物體所有細胞型別的能力。 卵母細胞（參與繁殖的女性生殖細胞。 這是一個未成熟的卵子）和合子（這是透過有性生殖將兩個配子細胞融合後產生的第一個細胞）都沒有成為全能的潛力。 然而，受精卵從其具有有限命運的特化細胞型別變成了等勢的卵裂球。 卵裂球是由受精後合子卵裂產生的細胞型別。

研究人員透過一系列移植實驗發現 1. 母體蛋白質和 RNA 被帶入卵母細胞並在那裡沉積 2. 這些母體蛋白質和 RNA 具有重置體細胞染色質表觀遺傳狀態的能力 3. 它們還有助於將卵母細胞轉化為受精後的全能卵裂球 4. 到目前為止，還沒有在體外製作全能細胞系的方法。 5. 這可能是由於在體內，即在活體中，全能的瞬態性質是截然不同的。 胚胎髮育的胚前階段提供了實際上不自我更新的卵裂球，但它們是透過卵裂產生的

原始多能性

隨著早期胚胎的卵裂接近 16 細胞期，發育潛能的限制逐漸變得明顯。 然後細胞經歷兩個不同的譜系，滋養層譜系和內細胞團。 問題是如何開始細胞分化。 分化從卵裂球扁平化以及它們加強細胞間接觸開始。 這個過程被稱為壓實。

胚胎幹細胞

胚胎幹細胞的特化

胚胎幹細胞是從胚胎中提取的細胞，這些胚胎通常是從體外受精獲得的卵子中收穫的。 胚胎幹細胞被稱為多能性細胞，或者具有分化為生物體中所有細胞系的能力。 這些胚胎有 3-5 天大，由被稱為囊胚的細胞空心球組成。

為了產生這些囊胚，必須收穫胚胎幹細胞。 培養這些幹細胞的過程稱為細胞培養，在實驗室中進行。 人類胚胎幹細胞的內細胞團被放置在培養皿中，培養皿塗有提供粘附表面的培養基，內細胞團可以粘附在上面。 這種培養基被稱為飼養層，通常由小鼠皮膚細胞組成。 然後，人類胚胎幹細胞被允許分裂、擴散並附著到培養皿的培養基上，以建立一個胚胎幹細胞菌落。 如果幹細胞菌落生長、分裂並存活，則在幾個月內多次將這些細胞接種到新的乾淨培養皿中，以產生數百萬個胚胎幹細胞，這被稱為幹細胞系。 幹細胞系成功建立的一個標誌是，如果在至少六個月的時間內細胞保持未特化狀態。 如果是這種情況，則可以將幹細胞系用於進一步的測試和實驗。

在整個收穫過程中，胚胎幹細胞菌落必須經歷一個稱為表徵的過程，這包括科學家進行的一系列測試，以確定細胞是否確實已正確發育。 其中一項測試包括收穫和檢查干細胞菌落數月，以驗證細胞是否健康且能夠成功更新。 還對這些細胞進行分析，以確保它們保持未特化狀態。 測試細胞是否已特化的一個方法是測試未特化細胞產生的轉錄因子的存在。 這些轉錄因子的兩個例子是 Nanog 和 Oct4。 這些轉錄因子的存在表明細胞保持未特化狀態，並且它們能夠自我複製和更新。

對胚胎幹細胞培養進行的另一項測試包括凍存、解凍和重新接種細胞，以檢視它們是否能夠自我更新和重新生長。

一項重要的測試，用來檢驗細胞是否正常運作，包括將一群胚胎幹細胞注射到免疫系統受抑制的小鼠體內，然後進行測試，以指示畸胎瘤的形成，畸胎瘤是良性腫瘤。如果注射的幹細胞成功形成畸胎瘤，科學家就可以確信這些細胞具有生長和分化的能力，因為畸胎瘤包含各種特化的細胞。

胚胎幹細胞 (ESC) 從囊胚中收穫，囊胚是胚胎髮育的早期階段（人類約 4 到 5 天），由 100 到 150 個細胞組成。ESC 在發育過程中產生所有三種主要胚層：外胚層、內胚層和中胚層；這意味著它們可以發育成為超過 200 種特化的細胞型別。由於具有活躍的端粒酶，它們可以在合適的條件下無限生長。端粒酶在成體細胞中不活躍，因此無法無限生長。

胚胎幹細胞已被證明可以在不同的情況下使用

• 胚胎髮育：瞭解 ESC 有助於科學家進一步瞭解胚胎髮育。
• 藥物測試：某些細胞無法培養，因為如果從器官或組織中取出，它們就會死亡。例如，在設計心臟藥物時，科學家無法培養心肌細胞，因為一旦心肌細胞被取出，它們就會死亡。然而，ESC 可以培養，那些分化為心肌細胞的細胞可以在培養中持續培養，用於測試藥物。
• 再生醫學：這並不是 ESC 目前正在使用的領域，而是科學家正在努力的目標。理論或目標是能夠移除胚胎幹細胞中的細胞核，將患者的 DNA 插入細胞，並使其根據患者的需求分化。例如，帕金森氏症是一種中樞神經系統的退化性疾病，理論上，透過新增新的神經元，應該能夠治癒帕金森氏症。
• 癱瘓：此外，那些患有癱瘓和無法移動身體部位的人可以透過幹細胞研究再生身體運動控制。
• 白血病：患有白血病可能需要骨髓移植或臍帶血輸血的患者可以從這些幹細胞研究中受益。這些產品可以在不需要不斷尋找匹配供體的情況下複製。雖然這可能無法治癒疾病，但它可以極大地減輕症狀。

特化

收穫胚胎幹細胞的目的是建立一個自我複製細胞的群體，這些細胞有可能專門化成感興趣的特定細胞，這些細胞可以用於治療疾病。在生長過程中，細胞保持未分化狀態，但一旦它們被允許在特定條件下聚整合塊，它們就開始形成各種特化的細胞和組織。科學家目前面臨的挑戰是弄清楚如何控制特化以建立感興趣的特定細胞，而不是自發特化，這會導致形成具有不希望的特定功能的各種細胞。控制特化的一種方法是使胚胎幹細胞群落暴露於培養基中化學成分的變化，改變培養皿的表面，或將特定基因插入培養物中以改變收穫細胞的組成。透過將成功特化的胚胎幹細胞移植到人體內，科學家可以制定治療帕金森病、糖尿病、脊髓損傷、心臟病以及視力和聽力損失等疾病的治療方法。

脂肪生成

脂肪細胞是專門用於能量儲存的細胞，因此當能量攝入與能量消耗之間的平衡發生變化，導致攝入的能量多於燃燒的能量時，脂肪生成過程就開始了。這個過程涉及脂肪細胞增生，即幹細胞過度招募成為脂肪細胞，從而增加脂肪細胞的數量。為了實現這一點，多能間充質幹細胞 (MSC) 成為前脂肪細胞，然後進一步發育為成熟脂肪細胞。

位於脂肪組織和骨髓血管間質中的多能 MSC 首先成為前脂肪細胞，這一過程由骨形態發生蛋白 BMP4 或 BMP2 啟動，然後經過幾輪有絲分裂克隆擴充套件，它們成為脂肪細胞。雖然這個過程是由 BMP 因子啟用的，但其他因子如 Hh 會提供抑制訊號，如果這個過程變得不必要.

幹細胞的調節和訊號傳導

對於幹細胞，轉錄因子對於它們的運作至關重要，可以分為三個核心組；1. 影響發育及其層次結構（發育核心模組），2. 控制細胞生長和穩態（細胞生長模組），以及 3. 控制其他兩組的訊號通路（訊號模組）。這三個組主要獨立運作，但存在一些相互作用。

發育核心模組

控制細胞多能性的轉錄因子中最瞭解的是 Oct4，它是一種八聚體類蛋白，專門識別序列 ATGCAAAT。 Oct4 與其他轉錄因子不同，因為它對於表觀遺傳重程式設計（發育過程中細胞的分化）至關重要。如果它被抑制或沉默，ESCs 將立即停止自我更新並分化為滋養層樣細胞。Oct4 將以轉錄因子的形式與許多輔助因子相互作用。這些輔助因子傾向於與 DNA 相互作用，包括 Sall4、Sp1、Hdac2、Nanog、Dax1、Nac1、Tcfp2l1 和 Essrb。它們的相互作用不會形成一種蛋白質連線，而是形成多個複合物，所有這些複合物都具有不同的蛋白質組成。這種組成和複合物的差異可能是多能性不同狀態的原因。

Sox2 是另一種參與發育和細胞多能性的轉錄因子。它具有在某種程度上類似於 Oct4 的表達模式。然而，當它被抑制或沉默時，這將主要影響胚胎發生的後期階段。Sox2 沉默只會影響其靶基因的一小部分，並將導致滋養層樣細胞。這主要是因為 Sox2 丟失會影響細胞中 Oct4 水平的多少，這是產生滋養層樣細胞的主要原因。

Nanog 也是核心發育模組的成員，它是一個不與正常成員相關的包含同源框的 DNA 結合因子。Nanog 的單獨表達能夠幫助在缺少因子的極端條件下保持細胞多能性。研究表明，它在啟動細胞多能性而不是維持細胞多能性方面發揮作用。Nanog 有與其相互作用的輔助蛋白，包括 Smad1、Small3、Nr0b1、Nac1、Essrb、Zfp281、Hdac2 和 Sp1。

細胞生長模組

這是控制和維持多能幹細胞生長和增殖的基因網路。

原癌基因 c-Myc 是該組的一個成員，與啟用轉錄和開啟染色質有關。它的表達允許 ESCs 即使在極端條件下也能自我更新。如果它被抑制，ESCs 將關閉其自我更新機制。c-Myc 還控制來自多個不相關功能的基因的轉錄，例如細胞代謝、細胞週期的控制和蛋白質的製造。它也有一個抑制因子，將阻止 Gata6 的表達，Gata6 是一種促分化因子。 它也被發現與來自發育模組的基因的功能重疊，例如 Tip60 和 p400。它也被發現起作用在某些癌症生長的情況下。c-Myc 的表達受轉錄因子 Ronin (Thap11) 的調節，Ronin (Thap11) 是一個包含 N 端 THAP 結構域的蛋白質家族的一部分。它在小鼠和人類之間得到了很好的保守，這意味著它的序列和靶序列對於這兩種哺乳動物非常相似。Ronin 抑制會導致細胞凋亡，而過度表達會導致 mESCs 過多。

訊號模組

有幾種訊號通路將直接促進自我更新和/或透過阻斷或發出正常分化提示來保留多能性。

白血病抑制因子 (Lif) 刺激 mESCs 的自我更新。它不會直接提高 mESCs 的生長速度，而是增加細胞自我更新而不是分化的機率。Lif 訊號傳導效應由一個異二聚體複合物控制，該複合物由 Lif 受體 (LifR) 鏈和蛋白 gp130 組成。已顯示它訊號傳導三個通路，分別是 Jak/Stat3、PI3K-Akt 和 Mapk 通路。^[9] 在這三個通路中，只有 Jak/Stat3 通路完全依賴 Lif 訊號傳導。另外兩個通路需要來自多個來源的多個訊號才能啟動。Jak/Stat3 通路和 PI3K 通路的訊號傳導將促進 Klf4 和 Tcf3 的表達，從而導致 Sox2 和 Nanog 的轉錄增加，如前所述，它們參與幹細胞分化和機體發育。對於 Mapk 通路，其訊號傳導將導致 Tbx3 的量減少，從而導致轉錄活性下降。FgfR1 (成纖維細胞生長因子訊號傳導) 是機體中 ESCs 最豐富的受體。它參與 Jak/Stat、磷酸肌醇磷脂酶 C-y、PI3K 和 Erk 通路的訊號傳導。一種類似的蛋白 Fgf2 對於 hESC 的維持至關重要。例如，在小鼠飼養細胞培養物中，需要大量 Fgf2 來維持其自我更新並防止分化。

Wnt 訊號傳導在胚胎髮育過程中非常重要，並控制幹細胞分化。它可以誘導中胚層和內胚層標記物的表達，對於 mESCs，包括 Barchyury、Flk1、Foxa2、Lxh1 和 Afp。Wnt 訊號傳導還透過控制 Oct4、Sox2 和 Nanog 的表達來維持細胞乾性多能性，它們都是參與維持多能性和發育的轉錄複合體。^[9]

多能性相關染色質結構

應該注意的是，每個細胞都有獨特的染色質結構。染色質是構成細胞核內容物的 DNA 和蛋白質的組合。^[10] 在多能性細胞中，異染色質相關灶似乎分佈得更加分散。相關的組蛋白通常是高乙醯化的。存在染色質修飾酶在轉錄模組中發揮作用。它們透過控制編碼能夠共價修飾蛋白質的關鍵酶的基因來做到這一點。^[11] 例如，H3K9 甲基轉移酶 SetDB1 的轉錄由 Oct4 控制。眾所周知，組蛋白標記是這種酶的特徵。當這種情況發生時，會發生以下情況：1. 引入多梳蛋白 2. 多梳蛋白觸發後續事件，這些事件涉及 H3K27 殘基的甲基化 3. 然後啟用進一步的額外染色質相關修飾。

胚胎幹細胞的來源

1. 體外受精

體外受精 (IVF) 診所是用於幹細胞研究的囊胚的最大潛在來源。IVF 過程需要在接受了“促排卵藥物”的密集方案後，透過手術程式取出女性的卵子，這些藥物會刺激她的卵巢產生多個成熟的卵子。

當 IVF 用於生殖目的時，醫生通常會受精所有捐贈的卵子，以最大限度地提高產生可植入子宮的活囊胚的機會。由於並非所有受精卵都被植入，這導致了大量目前儲存在全國各地冷凍機中的“剩餘”囊胚。儲存在 IVF 診所的囊胚可能成為用於醫學研究的胚胎幹細胞的主要來源。然而，由於大多數這些囊胚是在幹細胞研究出現之前產生的，大多數捐贈者沒有被詢問是否允許將這些剩餘的囊胚用於研究。

IVF 技術還有可能專門用於產生用於研究目的的囊胚。這將有利於分離具有特定遺傳性狀的幹細胞，這些性狀對於研究特定疾病是必要的。例如，可以使用來自患有囊性纖維化等遺傳疾病的卵子和精子捐贈者的幹細胞來研究該疾病的起源。然而，對於一些人來說，使用 IVF 特別為研究目的建立幹細胞在倫理上是有問題的，因為它涉及故意建立一個永遠不會發育成人類的囊胚。^[12]

2. 核移植

稱為核移植的過程提供了另一種產生胚胎幹細胞的潛在方法。在動物中，核移植已經透過將已分化的成年細胞（例如皮膚細胞）的細胞核插入已去除細胞核的捐贈卵子中來實現。然後，這個現在包含皮膚細胞遺傳物質的卵子被刺激形成囊胚，可以從中提取胚胎幹細胞。因此，以這種方式產生的幹細胞是原始成年細胞的複製品或“克隆”，因為它們的核 DNA 與成年細胞的核 DNA 相匹配。截至 2006 年夏季，核移植尚未成功地用於生產人類胚胎幹細胞，但動物研究的進展表明科學家可能能夠在未來利用這項技術來開發人類幹細胞。

科學家認為，如果他們能夠使用核移植來提取人類幹細胞，他們就可以透過建立包含導致某些疾病的基因的幹細胞來研究特定疾病的發展和程序。未來，科學家們還可能能夠建立包含特定患者 DNA 的“個性化”幹細胞。透過核移植產生的胚胎幹細胞將與需要移植的患者在基因上匹配，這將使患者的機體排斥新細胞的可能性遠低於傳統組織移植程式。

雖然使用核移植來生產幹細胞與生殖克隆不同，但有些人擔心該技術可能被誤用作生殖克隆目的。其他倫理考慮包括卵子捐贈（需要知情同意）以及囊胚可能被破壞。^[12]

成體幹細胞

成體幹細胞被稱為間充質幹細胞。與胚胎幹細胞一樣，成體幹細胞也是能夠更新和特化的未分化細胞，但與胚胎幹細胞不同，成體幹細胞通常位於被其他特化細胞包圍的組織中。這使得幹細胞僅具有多能性；它只能分化為某些細胞系，而多能性胚胎幹細胞可以分化為幾乎所有細胞系。成體幹細胞的作用是在需要時補充組織和器官中的受損細胞。骨髓中的成體造血幹細胞已被用於移植，目前正在進行的研究旨在確定腦和心臟中發現的幹細胞的分化是否可以被控制並用於各種其他形式的移植。

成體幹細胞存在於各種器官和組織中被稱為“幹細胞龕”的區域。這些細胞處於休眠狀態，直到需要它們，這可能包括需要新的細胞來取代因損傷或疾病而受損的組織。與胚胎幹細胞一樣，科學家正在開發提取這些成體幹細胞、在菌落中收穫它們並操縱它們以建立可用於治療某些疾病的特化細胞菌落的方法。挑戰在於，一旦從人體中提取，這些細胞的生長和繁殖能力有限。

科學家識別成體幹細胞的一種方法是首先從活生物體中提取細胞。接下來，在細胞培養物中標記這些細胞，然後將它們移植回另一種生物體。如果這些細胞在生物體中繁殖，科學家可以驗證是否存在正常工作的幹細胞。科學家一直在進行研究以確定各種分化通路，這些通路是成體幹細胞分化為具有特定功能的高度特化細胞的過程。

成人幹細胞的不同型別包括以下幾種：

• 造血幹細胞：發育為骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞
• 神經幹細胞：發育為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞
• 皮膚幹細胞：發育為表皮幹細胞和毛囊

成人幹細胞存在於發育成熟的生物體中，具有分裂和生成與自身相同的細胞，或生成比自身更分化的細胞的能力。

它們與胚胎幹細胞有一些區別，包括：

• 由於端粒酶不活躍，它們不能無限期生長。有些細胞在細胞壽命中實際上只能複製一次。
• 與ESC不同，成人幹細胞的分化能力有限。
• 它們的數量遠少於ESC。在成年人體中，大約每10,000-15,000個細胞中就存在一個成人幹細胞。
• 關於成人幹細胞的倫理問題也較少，因為它們是從能夠做出自己決定並同意捐贈的成年人身上提取的。

成人幹細胞具有再生特性，潛力巨大，例如：

• 器官修復：在心臟病發作的情況下，心肌細胞死亡並被瘢痕組織取代。成人幹細胞已被用於透過去除受損的心臟組織，在培養皿中培養成人幹細胞，然後將其重新植入受損的心臟，從而部分修復瘢痕組織。
• 器官再生：1999年，泌尿科醫生、再生醫學韋克森林研究所主任安東尼·阿塔拉博士正在研究患有膀胱缺陷的患者。他從膀胱中取了一小塊組織，分離出幹細胞，並將其培養成了一個新的膀胱。他發現可以將新的膀胱移植回原來的患者體內，七年後，患者要麼康復了，要麼恢復了正常。他成功製造的膀胱功能足以使患者保持健康和生存。

CD34+ 細胞

CD34+ 細胞包含 CD34 蛋白。CD34 蛋白是一種存在於人體細胞表面的糖蛋白，它作為細胞相互作用的粘附劑。它也可能在將幹細胞附著到骨髓或結締組織細胞中發揮作用。這種蛋白質在造血細胞早期表達。它的另一個功能是它需要 T 細胞進入淋巴結。CD34+ 細胞通常存在於臍帶和骨髓中的造血幹細胞中。

用途

為了從血液樣本中分離出 CD34+ 細胞，可以使用免疫磁性或免疫熒光技術。這些造血幹細胞可以透過使用抗體，進行純化，用於骨髓移植的科研或臨床用途。這些細胞可以分化為不同的血細胞。CD34+ 細胞可以注射到患者體內，用於治療肝硬化、周圍血管疾病和脊髓損傷等疾病。

誘導多能幹細胞

誘導多能幹細胞或 iPSC 是被重新程式設計到類似於胚胎幹細胞狀態的成人體細胞。雖然 iPSC 理論上是多能細胞，但目前尚不清楚它們與胚胎幹細胞是否存在任何差異。誘導多能幹細胞於 2006 年首次從小鼠細胞中產生，隨後於 2007 年從人類細胞中產生。

iPSC 的生產

iPSC 是透過轉染產生的，轉染是將核酸匯入細胞的過程。^[13] 在 iPSC 的情況下，這是透過逆轉錄病毒完成的。生產 iPSC 還存在其他方法，例如使用腺病毒和質粒。腺病毒與逆轉錄病毒的不同之處在於它不會將自身遺傳資訊整合到成人細胞中。腺病毒用於將必要的轉錄因子轉運到成人細胞的 DNA 中。腺病毒具有某些優勢，例如，它們可以避免逆轉錄病毒插入可能引起的任何突變的可能性，以及腺病毒只需要存在一小段時間就可以重新程式設計成人細胞。質粒也可以用來重新程式設計成人細胞，在這種方法中，需要兩個質粒來攜帶必要的轉錄因子。使用質粒的主要優點是，不需要使用病毒。然而，使用質粒也存在兩個主要問題，一個是質粒效率低，另一個是質粒在重新程式設計過程中存在持續的插入突變風險，並使用促進癌症的基因。

透過細胞融合

透過將 EGC（胚胎生殖細胞）或 ESC（胚胎幹細胞）與體細胞融合，成功地產生了 iPSC。^[9] 體細胞核在與胸腺淋巴細胞融合後，可以被 EGC 和 mESC 重新程式設計。重新程式設計後，該過程會導致類似於 EGC 的四倍體細胞，其中女性細胞的失活 X 染色體再次變得活躍。然後，這些四倍體細胞可以被注射到囊胚中形成嵌合胚胎。對於人類來說，這在未來可以用於分離的骨髓細胞和中樞神經系統的腦細胞。然後，這些細胞可以與培養中的 mESC 融合，以建立形態和特徵類似於真實細胞的人工細胞。

透過細胞重程式設計

iPSC 也可以透過將體細胞（生物體的體細胞）重新程式設計為多能幹細胞來獲得。^[9] 這個過程是透過使用轉錄因子來完成的，轉錄因子是與特定 DNA 序列結合的蛋白質。在小鼠成纖維細胞中透過逆轉錄病毒感染使用的四種轉錄因子是 Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc。對於人類，已經使用了不同的轉錄因子組合，包括 Nanog、Lin28 或 Nr5a2。轉錄因子的外源表達隨後在 mESC（小鼠胚胎幹細胞）試劑中進行選擇，最終導致 iPSC 的產生。產生的 iPSC 具有正常 ESC（胚胎幹細胞）的特徵，例如女性細胞中兩個 X 染色體的重新啟用、內源性多能性指標的表達，以及產生嵌合動物的能力。分子事件仍然知之甚少，但可以研究重程式設計是如何發生的。在重程式設計過程中，表觀遺傳標記被廣泛改變。研究表明，iPSC 克隆與 ESC 無法區分，儘管仍然存在一些小的差異需要在將它們用於再生醫學之前進行測試。^[9]

iPSC 的臨床未來

誘導多能幹細胞承諾了胚胎幹細胞幾乎無限的可能性，而不會產生破壞人類胚胎的令人困擾的道德問題，因此為再生醫學的研究提供了很有前景的空間。iPSC 還承諾了比其他型別幹細胞更多的益處。其中最重要的一個就是 iPSC 可以從患者自身的細胞中產生，這意味著任何從 iPSC 衍生的治療方法都應該避免任何免疫原性反應。即使 iPSC 在臨床環境中具有巨大的可能性，未來仍然存在一個主要的擔憂，那就是 iPSC 形成腫瘤的趨勢增加。從實驗中發現，注射到小鼠體內的 iPSC 會形成畸胎瘤，畸胎瘤是一種內部含有組織或器官成分的腫瘤。展望未來，研究的重點不僅在於用 iPSC 找出潛在的治療方法，還在於開發更高效、更少使用重組蛋白形成腫瘤的方法。

幹細胞的用途

無論是胚胎幹細胞還是成體幹細胞，都具有治療多種疾病的潛力，並能為人類生長發育提供見解。幹細胞療法的一個具體領域是使用這些細胞來治療患有 I 型糖尿病的患者。I 型糖尿病患者無法在胰腺中產生胰島素。目前正在進行的研究旨在確定胚胎幹細胞是否可以被選擇性地專門化，以產生可移植到糖尿病患者體內的產生胰島素的細胞群。為了使這種手術成功，幹細胞必須能夠繁殖併產生足夠的感興趣的組織/細胞。它們還必須能夠在受體宿主中存活，正常運作並保持繁殖能力，同時不會傷害受體。所有這些要求都必須滿足，並且受體不會排斥這些細胞，這是研究人員目前正在努力克服的挑戰。

人類幹細胞也可以用來測試新藥。可以在從人類多能幹細胞系生成的已分化細胞上測試新藥物的安全性。例如，癌細胞系用於篩選潛在的抗腫瘤藥物。利用幹細胞，科學家們還在開發新的方法來在實驗室中培養腦細胞，這些腦細胞可以用來治療帕金森病患者。在各種方法中，一種方法是將幹細胞培養成腦細胞並將其移植到患者體內。如果幹細胞可以培養成多巴胺生成的神經細胞，研究人員認為它們可以替代丟失的細胞。

透過使用幹細胞，人們可以觀察特定細胞（如神經細胞和肌肉細胞）的專門化。透過觀察這個過程，一些最嚴重的疾病（如癌症和出生缺陷）是由於在這個專門化過程中的某個地方出現的錯誤造成的。幹細胞的另一個潛在應用是製造用於醫療療法的細胞和組織。

癌細胞具有無限分裂的能力，並在轉移過程中擴散到身體的不同部位。胚胎幹細胞可以自我更新，並且透過分化為體細胞，可以提供人體構建的基礎。胚胎幹細胞為再生醫學提供了巨大的機遇，並作為研究早期人類發育的優秀模型系統。

圍繞研究的爭議

關於胚胎幹細胞研究存在著許多倫理爭議。首要的問題是 ESC 的採集方式，因為一旦 ESC 被採集，囊胚就會死亡。沒有辦法在不破壞胚胎的情況下采集它們。這提出了一個問題，即生命何時開始？關於生命何時開始有許多不同的信念，無論是科學的、宗教的等等，因此很難設定一個每個人都能接受的定義。

大多數用於幹細胞研究的囊胚來自體外受精的剩餘胚胎。有生育問題並決定進行體外受精的人。在這種情況下，精子和卵子在試管中結合，產生多個胚胎，其中一些被植入母親體內。剩餘的胚胎出於各種原因被冷凍起來；無論是第一次植入沒有成功，還是夫妻決定以後再要孩子。有些人決定丟棄這些胚胎，但絕大多數被冷凍在實驗室裡。另一個出現的爭議問題是，是否可以將冷凍胚胎用於 ESC。

研究中也存在著政治爭議。

• 90 年代後期：第一條人類胚胎幹細胞系誕生。
• 2001 年：布什禁止使用聯邦資金建立和研究更多胚胎幹細胞系。當時有 21 個不同的 ESC 系。
• 2009 年：奧巴馬建立了國家衛生研究院 (NIH) 委員會，該委員會將批准是否可以使用聯邦資金研究某些幹細胞系。既定的準則規定，幹細胞必須來自透過體外受精產生的但已被冷凍並不再使用的胚胎。父母必須同意使用其冷凍胚胎進行幹細胞研究，並且一旦獲得 NIH 批准，聯邦資金就可以用於研究它們。但是，聯邦資金不能用於建立新的幹細胞系。它們必須透過私人資金建立，並且一旦建立，聯邦資金就可以用於研究它們。

還存在著使用幹細胞的總體安全性問題。研究人員並不一定知道將幹細胞植入人體後會發生什麼，他們知道他們想要發生什麼，但無法保證會發生什麼。科學家們還沒有能夠精確控制胚胎幹細胞將分化成何種細胞。