干细胞由两个基本特性定义：自我更新，即在保持未分化状态的同时进行无限对称或不对称分裂的能力，以及潜能，即分化为特殊细胞类型的能力。这些特性使干细胞成为发育生物学的基石和再生医学的有前途的工具，它们提供了修复或替换受损组织和器官的潜力。
干细胞的类型
干细胞根据其发育起源和分化潜力进行分类。胚胎干细胞（ESC）源自囊胚的内细胞团，具有多能性，这意味着它们可以产生三个胚层（外胚层、中胚层、内胚层）的所有细胞类型，但不能产生胚外组织。成体干细胞，也称为体细胞或组织特异性干细胞，具有多能性，存在于大多数组织中，在整个生命过程中维持和修复组织。充分表征的成体干细胞包括骨髓中产生所有血细胞谱系的造血干细胞、骨髓和脂肪组织中分化为骨、软骨和脂肪细胞的间充质干细胞、脑室下区和海马中的神经干细胞以及隐窝底部的肠干细胞。诱导多能干细胞 (iPSC) 是通过转录因子 Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc（山中因子）的强制表达对体细胞进行重编程而产生的，产生的细胞具有类似 ESC 的特性，可以源自任何个体，从而实现针对患者的疾病建模和个性化医疗方法。从脐带血、羊水和胎盘中分离出来的胎儿干细胞具有介于胚胎干细胞和成体干细胞之间的中间特性。
干细胞利基
干细胞存在于称为“生态位”的特殊微环境中，提供调节自我更新、静止和分化的外在信号。该生态位包括支持基质细胞、细胞外基质成分、可溶性因子以及氧张力和机械刚度等物理线索。骨髓中的造血干细胞生态位包括成骨细胞、血管周围间充质细胞和窦内皮细胞，它们产生干细胞因子（SCF）、CXCL12、血小板生成素和其他维持干细胞静止和保留的因子。隐窝基底的肠道干细胞生态位提供来自潘氏细胞和基质细胞的 Wnt、Notch 和 EGF 信号，其中 Wnt 信号对于干细胞的维持至关重要。毛囊的隆起区域含有毛囊干细胞，它们在毛发周期期间被来自真皮乳头的信号激活。生态位信号的破坏可能导致干细胞耗竭或不受控制的增殖，从而导致衰老和癌症。
自我更新和分化途径
干细胞的命运决定由平衡自我更新与分化的保守信号通路控制。 Wnt/β-catenin 通路促进肠道干细胞、胚胎干细胞和一些成体干细胞的自我更新，β-catenin 易位到细胞核并激活包括 Myc 和 Cyclin D1 在内的靶基因。 Notch 通路由 Delta/Jagged 配体和 Notch 受体之间的细胞间接触介导，维持肠道、神经系统和肌肉中的干细胞身份。 Hedgehog 通路由 Sonic、Indian 和 Desert hedgehog 配体激活，调节小脑、皮肤和造血系统中的干细胞增殖。 PI3K/Akt/mTOR 通路整合生长因子信号以促进增殖和蛋白质合成。白血病抑制因子 (LIF) 和 BMP 信号通过 STAT3 和 Smad 激活维持小鼠 ESC 的多能性，而 FGF 和 TGF-β/Activin/Nodal 途径则维持人类 ESC 的自我更新。
再生医学应用
再生医学旨在通过使用干细胞、工程支架和生长因子替换或再生受损的细胞、组织或器官来恢复组织功能。造血干细胞移植（骨髓移植）是最广泛使用的干细胞疗法，用于治疗白血病、淋巴瘤和遗传性血液疾病已有 50 多年的历史，全球已进行了超过 100 万例移植手术。目前正在研究间充质干细胞在骨关节炎（软骨再生）、心肌梗塞（心脏病发作后的心脏修复）、移植物抗宿主病（免疫调节）和脊髓损伤中的组织修复作用。角膜缘干细胞移植可恢复角膜损伤患者的角膜上皮。 iPSC 衍生的多巴胺神经元正在针对帕金森病进行临床试验，而 iPSC 衍生的视网膜色素上皮细胞正在针对年龄相关性黄斑变性进行测试。临床转化面临的挑战包括致瘤风险（尤其是 ESC 和 iPSC）、免疫排斥、分化细胞群的异质性以及良好生产规范 (GMP) 条件下的可扩展生产。
疾病建模和药物发现
患者来源的 iPSC 可以分化为与疾病相关的细胞类型，以在体外模拟遗传性疾病，在培养物中重现疾病表型。已经针对神经退行性疾病建立了 iPSC 疾病模型，包括帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 和亨廷顿病，患者神经元表现出特征性蛋白质聚集、线粒体功能障碍和电生理异常。包括长 QT 综合征、肥厚性心肌病和杜氏肌营养不良症衍生的心肌细胞在内的心脏病模型再现了心律失常和收缩缺陷。 iPSC 衍生的肝细胞可以模拟代谢疾病并实现肝毒性筛查。类器官是源自干细胞的三维自组织组织培养物，比单层培养物更忠实地再现组织结构和功能，从而能够研究器官发育、寨卡病毒引起的小头畸形等传染病以及特定患者背景下的药物反应。
干细胞研究的伦理考虑
干细胞研究，特别是涉及人类胚胎的干细胞研究，引起了不同司法管辖区不同的伦理问题。从人类胚胎中提取胚胎干细胞需要破坏胚胎，一些人认为这在道德上存在问题，导致出台了从禁止到监管许可等各种政策。 iPSC 的开发绕过了胚胎破坏问题，并扩大了支持干细胞研究的道德共识，尽管 iPSC 引起了其他担忧，包括种系修饰的潜力和创建用于研究的人-动物嵌合体。线粒体替代疗法利用干细胞技术来预防线粒体疾病的传播，该疗法已在一些国家合法化，但由于对种系基因组修饰和三亲胚胎的产生的担忧，仍然存在争议。知情同意、捐赠者补偿和公平获得干细胞疗法是持续存在的伦理和政策挑战。直接向患者销售未经证实的干细胞治疗会带来安全风险，并破坏公众对合法干细胞研究的信任。
