胚胎干細胞（embryonic stem cell，ESC細胞）是一種從胚胎的早期階段衍生出來的細胞，它能夠分化成任何類型的體細胞。胚胎干細胞能夠分化成任何類型的細胞，因為在胚胎中，這就是它們的用途。
隨著胚胎的生長和分裂，泛化的細胞在分裂時必須變得越來越具體。這最終會創造出不同的器官、組織和系統。胚胎干細胞是全能的，這意味著它們可以在動物體內分裂成任何其他類型的細胞。復制是ES細胞的基本特性之一，正是基于這一特性，在一定的培養條件下，胚胎干細胞可以在體外長久和穩定地自我復制，實現ES細胞在體外的“永生”。
胚胎干細胞的使用是一種非常新的醫學形式，科學家們長期以來一直在尋找一種自我修復的組織的方法，而胚胎干細胞的分裂就是研究的方向之一。自20世紀50年代末以來，科學家們一直在嘗試測試用胚胎干細胞培養組織的各種方法。第一次臨床試驗是在20世紀60年代末，但進展不大。布什總統暫停使用聯邦基金進行干細胞研究，奧巴馬政府最終在2009年解除了這一禁令。歐洲國家在資助干細胞研究方面也面臨著一場艱苦的戰斗。然而，隨著科學的進步，出現了新的發現，這使得獲取胚胎干細胞變得更加合乎道德。
研究歷程
干細胞的發現
19世紀末還沒有“干細胞”這個概念，Hans Driesch通過震蕩使卵裂早期的海膽胚胎細胞相互分離后，發現分開的胚胎細胞能獨立地分別發育出新的胚胎；到了20世紀初，歐洲一些研究人員意識到各種血細胞，如白細胞、紅細胞、血小板等可能具有相同的來源；1908年，俄羅斯組織學家Alexander Maksimov首次提出了“干細胞”的概念。
胚胎干細胞的提取
真正意義上的哺乳動物的胚胎干細胞是從小鼠的胚胎干細胞提取開始的。1981年7月9日，著名的《自然》雜志發表了英國劍橋大學的馬丁·約翰·伊文思爵士和他的同事馬修·庫夫曼的一篇文章，報道他們建立的第一株小鼠的胚胎干細胞系。同年12月，加利福尼亞大學的蓋爾·馬丁也在《美國國家科學院院刊》上發表文章，報道了她所建立的小鼠胚胎干細胞系。馬丁·約翰·伊文思爵士因為建立小鼠胚胎干細胞系、基因敲除小鼠和基因打靶上的杰出貢獻，與馬里奧·卡佩琪和奧利弗·史密斯共同分享了2007年的諾貝爾醫學與生理學獎。
人類胚胎干細胞的研究
人的胚胎干細胞的建立要晚得多。1998年11月6日的《科學》雜志發表了一篇名為“人類胚泡來源的胚胎干細胞系”的文章，介紹了第一株人類胚胎干細胞系的分離、培養和鑒定過程。這個工作是美國威斯康星大學的詹姆斯·亞歷山大·湯姆森教授和他的同事們的研究成果，也是胚胎干細胞研究中劃時代的一件大事。
詹姆斯·亞歷山大·湯姆森是胚胎干細胞研究領域的專家，2007年他的實驗室與日本山中申彌的實驗室同時得到了人類誘導多能性干細胞，這也是干細胞領域劃時代性質的一件大事。2008年，他與山中申彌共同被美國《時代》雜志評選為影響世界的100位名人的第54位。
他們為自己的人類胚胎干細胞系制定了嚴格的定義：（1）必需來源于著床前或正在著床的早期胚胎；（2）可以長期增殖而不分化；（3）具有穩定的可以分化成三個胚層的能力。他們所分離得到的人類胚胎干細胞系在世界各地的實驗室中得到了廣泛的應用，是最經典的人類胚胎干細胞系。
胚胎干細胞的生物特征
兩大特性
人胚胎干細胞具有兩大特性：( 1 ) 高度的分化潛能 (pluripotency)。人胚胎干細胞可以在細胞培養的任何階段分化為3個胚胎生殖層中的任何一個。(2)自我更新能力(self-renew)。 人胚胎干細胞能夠在維持多能性的同時不斷增殖，因此可在體外培養條件下建立穩定的細胞系。
形態特征
形態學上，人胚胎干細胞呈圓形，較小，直徑為15μm-20μm，細胞核大，核質比高，有一個或多個核仁。細胞中多為常染色質，核型正常。細胞質結構簡單，其中散在分布著大量核糖體和線粒體。進行體外抑制分化培養時，可見人胚胎干細胞呈集落樣（克隆樣）生長，細胞間緊密堆積，無明顯的細胞界限，形似國家體育場。
人胚胎干細胞可在培養基中形成致密的球形細胞集落，集落內的單個人胚胎干細胞則表現出高核質比和大核仁的特點，說明在人胚胎干細胞增殖過程中，轉錄和蛋白質合成非常活躍。人胚胎干細胞的特征還在于能夠表達許多細胞表面標志物和轉錄因子，包括階段特異性胚胎抗原4 ( SSEA-4)、 SSEA-3、 畸胎瘤衍生生長因子1 (TDGF1)、生長分化因子 3(GDF3)、TRA 抗原、Oct3 / 4 以及 Nanog 等 。
生長特征
胚胎干細胞增殖迅速，不同動物的胚胎干綢胞的增雅周期長短不同。人胚胎干細胞每18h一24h增殖一次，在特殊的培養條件下，如有濫養是陽胞或白血病抑制因子（LIF）存在時，可保持來分化狀態和連續無限傳代的能力；無特殊培養條件時，則會自動分化為多種細胞。
表面標志
人胚胎干細胞源于早期胚胎細胞，可表達早期胚胎細胞、畸胎瘤細胞的表面抗原胚胎階段特異性抗原（stage-specific embryonic 抗原，SSEA)。不同種屬、不同時期的胚胎干細胞所表達的SSEA有差異，如小展胚胎干細胞表達SSEA-1，而不表達SSEA-3、SSEA-4；人胚胎干細胞則表達SSEA=3、SSEA=4等表面抗原。SSEA常被用作鑒定胚胎干細胞的一個標志。此外，胚胎干細胞還表達堿性磷酸酶（AKP)和端粒酶。堿性磷酸酶常被用作鑒定胚胎干細胞分化與否的標志之一，端粒酶的表達則表明胚胎干細胞復制的壽命長于體細胞。
在人胚胎干細胞的各種標記中，OCT4 ( 也 稱 OCT3 或 OCT3 / 4)在早期胚胎細胞的維持和交流方面的作用是獨一無二的：OCT4是早期胚胎細胞中特有表達的一種定向轉錄因子,由 Pou5f1 基因編碼，可以在維持內細胞團細胞增殖的同時抑制細胞分化。 Wang 等發現與OCT4共同作用的還有 SOX2 和 NANOG: OCT4 可以和 SOX2 在 sox-oct 原件處形成一個復合體共同發揮 作 用；而 NANOG 則 能 夠 通 過 與 OCT4 和 SOX2 各自的基因 Pou5一級方程式錦標賽 和 Sox2 相 互 作 用 來 維 持 OCT4 和 SOX2 的表達。 除 OCT4 外，Qi 等在將外源性 BMP4 導入 BMP4 缺失的胚胎干細胞后發現細胞外受體激酶(ERK) 和 p38 有絲分裂激活蛋白激酶 (MAPK)活性都顯著降低，說明 BMP4 可以通過抑制 ERK 和 MAPK 誘導與細胞分裂以及細胞分化有關的有絲分裂原和生長因子(如LIF、FGF 和 Beep Media Player)的下游信號傳導，進而協助維持 hESC的多能性和自我更新能力 。另外。轉化 TGFβ 通路的成員 LEFTY1、LEFTY2 以及 GDF3 也可以在多能干細胞中表達。
分化潛能
人胚胎干細胞具有多分化潛能。體內研究發現，若給同源動物皮下注射胚胎干細胞，會形成復雜的混合組織瘤。瘤組織包括胃上皮（內胚層)，骨和軟骨組織、平滑肌和橫紋肌（中胚層），神經表皮、神經節和復層鱗狀上皮（外胚層)。這證明胚胎干細胞系具有分化形成外、中、內三個胚層的潛能。用嵌合體試驗和核移植等方法在體外研究胚胎干細胞，也證實胚胎干細胞具有分化成三種胚層的各細胞類型的潛能。
重要特性
人胚胎干細胞的重要特性有：①胚胎干細胞在適宜的條件下可保持未分化狀態，并能進行無限擴增，這就為研究和應用提供充足的細胞來源。②人胚胎干細胞具有分化為三胚層的潛能。在適當的務件誘導下，胚胎干細胞可發育成各種組織的細胞(全能性或多能性)。⑧胚胎干細胞可作為在細胞和分子水平上研究人體發育早期過程和機理的良好模型。胚胎干細胞具有遺傳上的可操作性，通過導入外源基因、加入原有基因使其發生同源重組、誘導突變、基因打靶，可作為發現新基因和基因功能研究的有效手段，可了解胚胎的非正常發生和發育過程廈其機制。
應用
胚胎干細胞誘導分化為表皮樣干細胞及其在皮膚修復方面的應用
臨床上對燒傷或創傷患者進行整形修復時主要是依靠自體皮膚的移植，但對于大面積嚴重燒傷或損傷的患者根本無法移植，只能讓患者形成永久性疤痕。最早研究的永久性皮膚替代物為表皮細胞膜片，主要是采用自體或異體的角質形成細胞，在體外培養形成表皮細胞膜片，用來覆蓋皮膚缺損,其不能形成皮膚附屬結構。
Bagutti等用懸滴培養法培養小鼠ES細胞形成擬胚體，于第2~15天及21天分別有細胞角蛋白CK8和CK19、CK10和CK14的表達，提示ES具有向表皮方向分化的潛能。撒亞蓮等研究結果示人類ES細胞源性的表皮樣干細胞具有分化為角化復層上皮、毛囊樣、皮脂腺樣和汗腺樣結構的潛能，在ES細胞向皮膚細胞誘導分化方面取得一定進展。劉愛軍等研究結果表明移植到創面的ES源性表皮干細胞存活，并向表皮分化，創面完全愈合后，檢測出有特異性標記物的角化復層上皮、毛囊干細胞和汗腺，提示ES細胞源性表皮干細胞具有分化為毛囊和汗腺等結構的潛能，說明把ES細胞源性表皮干細胞直接植入到全層皮膚缺損創面，可能對修復表皮及皮膚附屬結構起重要作用。以上實驗成功地顯示ES細胞具有向表皮樣細胞誘導分化的潛能，應用于臨床可移植到燒傷或創傷患者皮膚進行整形修復。
胚胎干細胞誘導分化為神經細胞及其在神經系統疾病中的應用
許多神經系統疾病實際上是由于神經細胞的缺失所致，這些細胞如果得不到新生細胞的補充,所形成的疾病就不可能治愈。2006年，Ueno提出了羊膜基質層基礎上的胚胎干細胞誘導誘導方法，將打散的鼠ES細胞種植在明膠包被的人類羊膜基質層上，在無血清培養基里培養了1周之后形成集落，里面包含了大量Nestin陽性細胞和NCAM陽性細胞。通過此法可誘導生成各種類型的神經細胞，包括多巴胺神經元、肌萎縮側索硬化和原發性視網膜色素變性上皮細胞。李彬等用人類ES細胞高效地分化得到了神經前體細胞。這種神經前體細胞具有多能性及與體內神經發育相似的模式和基因表達變化。
將ES細胞誘導分化為神經細胞的研究，不但可以解釋人類神經系統發育過程中的復雜事件，還可以提供可能的供體細胞來源用于細胞替代性治療。在早期的ES細胞源的神經細胞移植實驗中，植入鼠類模型腦中的神經元不僅具有功能活性，而且整合到宿主的腦中，在某些個案中甚至改善了神經退行性疾病的癥狀。將人胚胎腦神經干細胞球移植到鼠損傷脊髓處，電鏡觀察到移植細胞與宿主神經元之間有突觸形成，大鼠的運動功能也相應恢復。Lu等實驗也證明移植神經干細胞能促進損傷脊髓功能恢復。
以上關于ES細胞的研究,為神經系統疾病的治療，提供了新的有效的方法，尤其是一些伴隨腦或脊髓相應部位的特定神經元死亡的老年性疾病，通過誘導胚胎干細胞分化形成新的神經組織細胞并進行移植修復治愈這些疾病。
胚胎干細胞誘導分化為造血干細胞及其在造血系統疾病中的應用
對于造血系統功能異常，如再生不良性貧血、白血病等，隨著醫學進展，很多病例得到一定程度的緩解，但仍有相當的患者不能治愈，抑或出現治療并發癥等。胚胎干細胞定向誘導為造血干細胞的研究成果，為臨床提供了新的有效的治療方法。
人們先后采用了懸浮培養、半固體培養基中原位誘導、輔助細胞共培養以及分階段誘導等多種方法成功地將ES細胞在體外誘導分化為造血各系細胞。張緒超等通過對含人AGM區基質細胞培養體系定向誘導ES細胞為造血干細胞的實驗研究，得出人胚早期AGM區基質細胞能促進小鼠ES細胞定向分化為造血干細胞的結論，為研究ES細胞分化為造血干細胞的分子機制提供了實驗模型。
關于ES細胞誘導分化為造血干細胞最誘人的前景和用途就是為細胞移植提供原材料，為血液病的治療提供了新的方法。
胚胎干細胞誘導分化為生殖細胞及其在生殖系統方面的應用
2003年5月，Science的一篇報道提出鼠ES細胞體外可分化為卵母細胞，此后共有三個實驗室從小鼠ES細胞得到配子樣細胞，體外能產生雄性原始生殖細胞和單倍體的雄性配子，在某種程度上表現出具有配子的功能。
ES細胞可以誘導分化為包括生殖細胞在內的所有細胞類型。ES細胞在體外一定條件下，可以發生減數分裂，形成精子和卵子，這為生殖遺傳修飾研究提供了一個有用的細胞培養體系，對臨床生殖醫學的發展具有重要作用。
胚胎干細胞在器官移植方面的應用
胚胎干細胞最重要的作用是被用作細胞組織替代治療甚至設想利用其形成器官做器官移植。胚胎干細胞用于移植治療所涉及到的免疫排斥問題的解決可能要容易的多。鼠實驗顯示，胚胎干細胞 易于對基因操作作出響應。可將編碼抗原表面分子基因去掉，創造免疫空白的胚胎干細胞——一種通用的供體。另外也可通過基因修飾使胚胎干細胞在免疫學上與最終的移植物宿主相匹配。
胚胎干細胞在克隆動物方面的應用
胚胎干細胞有兩個特點：一是在非分化狀態下具有 持續不斷的、無限的分裂增殖能力；二是能夠分化為成熟個體的任何一種細胞類型，這種特性使得胚胎干細胞技術在克隆動物方面的應用有了可能。
2023年11月10日，世界首只胚胎干細胞“嵌合猴”在中國誕生，這只“嵌合猴”是由食蟹獼猴（長尾獼猴）的兩個基因不同的胚胎的細胞組成的，這標志著胚胎干細胞技術在克隆動物方面取得了全新進展。
研究進展
胚胎干細胞在疾病功能中的研究
胚胎干細胞誘導分化的內胚層細胞研究
內胚層衍生物主要包括在肺、肝、胰腺、膀胱、甲狀 腺及消化系統中的各類細胞。 產生內胚層細胞的首要 步驟是形成定形內胚層，D'Amour 等在實驗中發現，在低血清條件下，可以通過添加高濃度的激活素 A 和 Wnt3a,以階段特異性的方式將 hESC 選擇性誘導分化為定形內胚層。 定性內胚層形成后，進而分化為特定的祖細胞群，如胰島 β 細胞、肺泡上皮細胞和肝細胞等，并在臨床上用于開發糖尿病、肺部疾病和慢加急性肝衰竭/ 肝炎等疾病的細胞替代醫療。
在最近的研究中，Nair 等還發現通過分離和重新聚集未成熟的 β 細胞可以生成 β 細胞樣細胞簇(enriched β-clusters，eBC)從而在體外獲得 功能性胰島 β 細胞，在治療糖尿病方面取得了重大進展。 以類似的方式，在 hESC 分化成定形內胚層后還可以進一步誘導分化為肝細胞。 Agarwal 等在實驗中發現，將膠原蛋白 I 基質和肝分化因子(包括 FGF4、 BMP4、肝細胞生長因子和地塞米松)依次添加到低血清培養基中，可以產生高度穩定的功能性肝細胞群，這些細胞能夠表達已知的成熟肝細胞特征標志物，并發揮相應的功能；在最新的研究中，Feng 等在體外構建了一種可擴展的無血清懸浮培養系統，該系統能夠通過使用人內胚層干細胞作為前體，大規模產生功能性可移植肝細胞，極大程度上滿足了肝細胞不斷增長的治療和藥物需求。 hESC 分化的另一個目標是肺泡上皮細胞，這些細胞可用于肺部慢性呼吸系統疾病的研究和治療。 Wang 等使用表面活性蛋白 C 啟動子控制的新霉素轉基因非病毒轉染 hESC，并獲得了幾乎純凈的肺泡上皮細胞，在 hESC 誘導分化為肺泡上皮細胞群方面取得了顯著成功；此外，Strikoudis 等在體外使用 hESC 產生的肺類器官模擬肺纖維化并探究了肺纖維化的發病機制，這為探究纖維化肺病的治療方法提供了理論依據。
胚胎干細胞誘導分化的中胚層細胞研究
中胚層衍生的細胞已經成功被科學家獲得，研究發現 hESC 直接誘導分化為中胚層需要激活 TGFβ 信號傳導通路，而這需要通過逐步添加激活素 A、BMP4 和生長因子(如血管內皮生長因子和 bFGF 等)得以實現。還有研究發現可以使 hESC 首先自發分化為 EB 進而獲得各種中胚層衍生物：隨著 EB 的形成，研究人員在無血清條件下實現了 hESC 向造血譜系細胞的有效分化，其可產生幾乎所有類型的血細胞和免疫細胞 。
因此，hESC 分化的造血譜系細胞有望改善需要血細胞移植的現有療法并通過細胞移植的方法治療免疫缺陷病等疾病。另一種中胚層衍生物心肌細胞已經可以通過一些方法從 hESC 分化而來 。 Laflamme 等研究發現,，使用激活素 A 和 BMP4 處理致密單層 hESCs，可以使其定向分化為心肌細胞；更重要的是當研究人員將這些細胞移植到心臟受損的大鼠體內后，其可形成功能性心肌細胞并改善受損心臟的功能。
研究人員利用 3D 培養系統將 hESC 和 BMP2 在高密度環境下共同培養從而誘導分化為軟骨細胞；Wang 等也通過實驗證明了當使用無血清培養基誘導 hESC 產生軟骨細胞時，用 BMP2 替代 BMP4 能夠使軟骨形成基因 SOX5 的表達增加并且更好地驅動 hESC 分化為軟骨細胞，增強軟骨細胞聚集體的形成。通過定向培養 hESC 所得到的這些細胞可用于治療關節中軟骨破壞或骨密度低下所導致的骨質疏松癥和腰椎骨質增生等疾病。
胚胎干細胞誘導分化的外胚層細胞研究
在 hESCs 的培養中，最主要的分化途徑是形成外胚層進而分化為各種神經元或神經膠質細胞以及原發性視網膜色素變性上皮( retinal pigment epithelium，RPE) 細胞等。 研究發現，hESC 可以被誘導分化為感覺神經元、多巴胺能神經元 、GABA 能神經元、膽堿能神經元、肌萎縮側索硬化以及少突膠質細胞等眾多神經系統組分并參與各種神經退行性疾病的治療。
在得到第一個 hESC 株系后不久，Reubinoff 等在體外高密度培養 4 ~ 7 周的 hESCs 中發現了可擴增的神經前體細胞( neural precursor cell，NPC)。 研究人 員將其放置于無血清培養基中作為神經球體擴增，然后通過把球體鋪在涂有聚-D-賴氨酸和層粘連蛋白的蓋玻片上成功實現了神經誘導。 結果顯示：培養基中出現了表達神經元標記物 β-微管蛋白和 MAP2 的細胞；Reubinoff 及其同事還通過添加 B27 補充劑、人重組表皮因子 西妥昔單抗 和 bFGF 來促進 NPC 的擴增，而擴增的 NPC 能夠在體外以及移植到小鼠體內后分化為主要的神經譜系———神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。與此同時，Zhang 等使用了一種不同的方法將 hESC 誘導分化為 NPC，在該研究中，研究人員使用 胰島素、轉鐵蛋白、黃體酮、肝素和 bFGF 共同處理 EB，使其在培養基中形成單層管狀玫瑰花樣神經結構，隨后使用分散酶進行酶處理分離得到 NPC；與 Reubinoff 的研究結果類似，產生的 NPC 也能夠在體內體外形成少突膠質細胞、星形膠質細胞和成熟神經元。 這些結果都證實了 hESC 衍生的 NPC 的分化潛能，這些細胞為將來可能用于治療多種中樞神經系統疾病的不同神經元表型的選擇性分化奠定了基礎。
胚胎干細胞誘導分化的神經元的功能研究進展
人體胚胎干細胞誘導分化的神經元功能特性及其移植體內后的作用誘導分化的神經元不僅能夠通過移植到患者體內執行功能，也可以在體外的研究中發揮其特性。
胚胎干細胞誘導分化的神經元功能特性及其移植體內后的作用
(1)5－羥色胺能神經元。 位于后腦中縫核的 5-羥色胺能神經元在調節腦功能方面起關鍵作用，它能夠參與情緒、認知、飽腹感等多種自主神經功能的調節，且涉及多種精神疾病(如抑郁癥等)。 因此，為了促進其在體內外的研究，越來越多的科學家致力于將 hESC 誘導分化為 5-羥色胺能神經元。 Lu 等描述了一種通過激活 WNT 和 Shh 信號通路誘導 hESC 分化為 5-羥 色胺能神經元的方法，他們首先將 hESC 放置于含有 SB431542(TGF-β 抑制劑)、DMH1 ( BMP 抑制劑) 和 CHIR99021(GSK3-β 抑制劑)的 SDC 培養基中使其分化成為后腦神經干細胞；隨后用 Shh 和 FGF4 共同處理培養物使其腹側化并獲得 5－羥色胺能神經元祖細胞。 研究人員進一步確定細胞的分化潛能。發現得到的神經元能夠釋放 5-羥色胺，且其他標志物 ( 包括 FEV、SERT 和 LMX 1β)的表達均上調，這標志著中樞 5-羥色胺能神經元的成功分化。為了評估神經元的功能是否成熟，研究人員在細胞培養第 6 周使用了電生理全細胞記錄對 15 個神經元進行了測試。實驗結果印證了5-羥色胺能神經元的電生理特征: 通過從 -40 pA 到+100 pA 的電流注入可以觸發其動作電位，且當注入電流低至+10 pA 時還能夠誘發頻率與注入電流大小正相關的動作電位；在記錄的神經元中，80% 都出現了興奮性(向下)及抑制性(向上) 突觸后自發電流，這表明其能夠與周圍神經元形成功能性突觸網絡。 此外，5－羥色胺能神經元還顯示出自發動作電勢尖峰低，具有亞閾值振蕩電位，且神經元在大動作電位和超極化后，超極化持續時間長的特性。
(2)膽堿能神經元。 有關 hESC 分化為膽堿能神經元(BFCN)的研究有助于探索與學習記憶障礙相關疾病(如AD)的發病機制和細胞治療。 Liu 等使用 了一種新的策略。他們首先將 hESC 在體外分化為原始神經上皮細胞，隨后在培養基中加入 Shh 并持續培養一周，從而引導其生成內側神經節隆起(MGE)祖細胞。 在這個過程中，FOXG1 表達的增加是 MGE 祖細胞成功分化的重要標志；在獲得 MGE 祖細胞后，研究人員將它們鋪在 hESC 衍生的星形膠質細胞上并加入神經生長因 子、cAMP 及 BDNF 共同培養，一段時間后，所有神經元均表達乙酰膽堿轉移酶(ChAT)、NKX2.1、以及囊泡乙膽堿轉運蛋白(VAChT)，標志著成熟 BFCN 的產生。研究人員使用全細胞膜片鉗記錄了分化 8 ~ 10 周的神經元以確定其電生理特性，結果顯示神經元在 +20 pA 至+80 pA 電流注入下能夠誘導動作電位，并且除了具有正常的膜特性外，還具有內向 Na +和外向 K + 電流以及能夠觀察到自發突觸電流的特征。為了探究 hESC 衍生的神經元在體內能否發揮功能及其機制，Liu 的實驗團隊將分化的 MGE 樣祖細胞移植至學習和記憶喪失的小鼠模型體內，發現移植后的第一周，ChAT +膽堿能神經元很少被發現，然而隨著時間的推移，這些神經元在 CA3 區域的錐體細胞層中的數量和細胞大小顯著增加，且能夠表達膽堿能標記物：VAChT 和人特異性突觸素等，這表明移植的膽堿能神經元能夠和小鼠錐體神經元之間形成突觸接觸并發揮作用；研究人員進一步通過行為學實驗發現，在移植了 hESC 衍生的神經元兩個月后，損傷模型小鼠在識別隱藏平臺方面開始表現出減少的潛伏期并且具有更好的表現 。這說明 hESCs 誘導分化的膽堿能神經元具有改善學習、記憶和空間認知缺陷的功能。
(3)谷氨酸能神經元。谷氨酸能神經元是中樞神經系統內最重要的興奮性神經元，能夠調控許多諸如睡眠和攝食等重要的人類活動。 Li 等使用 hESC 在體外誘導分化為谷氨酸能神經元并探究了該亞型神經元的功能特性。首先在沒有外源形態發生素的條件下通過添加 RA 將 hESC 分化為具有背側同一性的端腦祖細胞，接著加入 WNT3A 培養基以確定它們的背側表型(GLI3 的高水平表達)，最后將這些細胞鋪在 Neurobasal 培養基中進而分化為谷氨酸能神經元。在對獲得的谷氨酸能神經元進行蛋白質印跡分析后發現，分化 6 周的神經元能夠表達谷氨酸能轉錄因子 TBR1 和 CTIP2；且隨著時間的推移，在這些神經元中可以觀察到成熟谷氨酸能神經元標志物———囊泡谷氨酸轉運蛋白 1(VGLUT1)的表達。隨后，研究人員還通過分化后 10~12 周的膜片鉗記錄分析了 hESC 產生的谷氨酸能神經元的功能特征，結果顯示谷氨酸能神經元在電流注入后能夠以較大的幅度和較短的持續時間激發強烈的動作電位，并且在分化第10周神經元的記錄中還偶爾觀察到了第二個動作電位；此外，在電壓鉗模式中還記錄到了內向 Na +和向外的 K +電流，且內向電流可被 1 μmol / L 的河豚毒素阻斷。
(4)γ-氨基丁酸能(GABA)神經元。GABA 能神經元是人腦內最常見的中間神經元，其通過釋放抑制性神經遞質 γ-氨基丁酸調節多種腦內活動， 具有同 BFCN 相似的功能，可以用于改善與學習和認知障礙相關的疾病。基底前腦神經元，包括 BFCN 和 GABA 中間神經元，起源于端腦腹側部分的 MGE 和視前區 (POa)，因此將 hESC 誘導分化為 GABA 能神經元的最初步驟與 BFCN 相同。Liu 等在培養基中添加 Shh 從而使 hESC 分化為 NKX2. 1 +的 POa 祖細胞，隨后將其鋪在星形膠質細胞上并加入神經生長因子持續培養一段時間，即分化為成熟的 GABA 能中間神經元。研究發現，GABA 能神經元能夠釋放 GABA 且表達 DARPP32(投射 GABA 能神經元的標記物) 和 GAD65 (GABA 能神經元的另一種標記)，因此這可以作為 hESC 成功分化為 GABA 能神經元的重要標志。在另一項研究當中，研究人員使用電生理膜片鉗技術揭示了 GABA 能神經元的電生理活性：具有自發的動作電位 ，通常顯示為“bursting”模式，且當使用荷包牡丹堿時，GABA 受體活性被消除，突觸活動被阻斷；此外，與谷氨酸能神經元相比，GABA 能神經元具有更窄的峰值和更尖銳的復極化的特點。在體外實驗基礎的上，Liu 等將神經祖細胞移植到內側隔膜損傷進而導致海馬 GABA 能神經元去神經支配的小鼠體內6個月后，發現小鼠體內分化的神經元群體主要為 GABA 能神經元，且這些神經元被細胞體和纖維中的 vGLU + 斑點包圍，表明移植體內的 GABA 能神經元與潛在的谷氨酸能神經元建立了聯系并被整合到了局部神經回路中。與此同時，在評估神經元移植前后小鼠的學習記憶能力的實驗中，研究人員證實，移植的GABA 能神經元能夠改善小鼠的學習能力，有助于功能恢復。
(5)多巴胺能神經元。 hESC 衍生的中腦多巴胺能 (DA)神經元能夠為 PD 的細胞替代醫療提供無限細胞來源。 Kawasaki 等發現某些小鼠基質細胞系具有促進小鼠 ESC 神經發生的能力，進而誘導其分化為中腦多巴胺能(DA)神經元。除了經過充分研究的常 規 DA 神經元外，Lammel 等還在實驗中發現了 DA 神經元的非典型快速放電亞型，兩種神經元具有不同的分子和功能特性。他們將干細胞誘導分化為 DA 神經元，隨后對神經元進行免疫組化鑒定，發現所有細胞都能夠表達重要的 DA 標記基因酪氨酸羥化酶( TH) 和質膜多巴胺轉運蛋白(DAT)，而快速放電亞型的 DA 神經元卻對 DAT 的表達非常低。研究人員利用全細胞和穿孔膜片鉗技術記錄了體外腦切片從而確定這兩種不同 DA 神經元的基本電生理特性。研究發現，在電流鉗模式下，紋狀體 DA 神經元有緩慢的規則放電、典型的低閾值、寬動作電位(AP)和顯著的后超極化(AHP)等特點；而皮層 DA 神經元相較于傳統的紋狀體 DA 神經元，則表現出更快的自發放電頻率、更長的 AP 持續時間以及沒有 AHP 的寬 AP 波形和下垂組件的特性。在研究中，Chen 等將經過編程表達 DREADDs 系統 ( designer receptors exclusively activatedby designer drugs，只由特定藥物激活的受體)的 DA 神經元前體細胞移植到 PD 模型小鼠的紋狀體內，通過特定激活該系統的藥物 CNO 控制所移植細胞的激活，進而可以規避由于移植數量不可控所造成的功能影響。在此研究的基礎上，Xiong 等進一步將 hESC 分化的 DA 神經前體細胞移植到 PD 小鼠受損的黑質腦區，結果發現移植的 DA 神經元能夠長出大量神經纖維并與紋狀體細胞形成神經連接，其重建的黑質-紋狀體神經連接在結構和功能上都與內源神經連接高度一致，從而有助于對 PD 的治療作用。
研究與爭議
胚胎干細胞(ES)成為當今生命科學和生物技術研究的熱點，這與它具有“發育全能性”的神奇功能密切相關。但同時，ES研究也引發了當前最為激烈而敏感的倫理之爭。
主要圍繞兩個問題而展開：一是如何看待胚胎。ES主要有三個來源：(1)(自然和人工)流產的胚胎；(2)輔助生殖剩余的胚胎；(3)通過體細胞核轉移術得到的胚胎。不管哪一個來源，提取ES必定會損毀胚胎。于是，胚胎是不是生命，是不是人，研究ES是不是不道德的，很自然地成為爭論的焦點。另一焦點在于，是否必然滑向生殖性克隆。
2003年10月，聯合國大會以80票贊成、79票反對、15票棄權的表決結果，將《禁止人的克隆生殖國際公約》推遲一年。
據報道，美國國立衛生研究院(NIH)收到13000封關于ES研究的公眾來信，只有300封表示支持(《維真學刊》2003年秋季號，加拿大哥倫比亞大學中國研究部主辦)。而在中國，情況大為不同。2003年，在對上海市、西安市8家三級醫院的250名醫師進行問卷調查中，58%的醫師認為早期胚胎還不是道德意義上的人，超過70%的醫師贊同ES研究，高達94%的醫師同意ES可為治療一些“不治之癥”提供美好前景。臺灣對61位醫師的調查，得出了類似結果。
早在2001年8月，當時的美國總統布什就曾簽署總統令，禁止聯邦資金用于提取胚胎干細胞及其研究，只能對當時已有的21種胚胎干細胞展開研究，致使美國的胚胎干細胞研究一度跌入低谷。直到2009年3月9日美國總統奧巴馬簽署總統令，宣布擴大聯邦資金用于胚胎干細胞的研究，美國胚胎干細胞研究再次邁入正軌。
世界各國對胚胎干細胞研究的管理有著不同的規定：日本、巴西、瑞士、加拿大、澳大利亞等國允許使用體外受精丟棄的受精卵獲取胚胎干細胞；中國、韓國、印度、以色列、新加坡允許治療性克隆的研究；英國是最寬松的，不但允許治療性克隆，還允許在嚴格管理和監控下的生殖性克隆；美國則還在糾結中。
在胚胎干細胞的倫理學上必較能得到共識的是：(1)胚胎干細胞研究有益于人類，要尊重；(2)胚胎的地位和權利也要得到尊重；(3)胚胎和卵子、精子不是商品，不能買賣，用于研究時必須遵守相關的法律法規；(4)生殖技術需要監督和控制；(5)堅決反對克隆人。面對迅猛發展的胚胎干細胞研究，倫理問題確實是一個亟待解決的問題，但相信聰明的人類一定會在這中間尋找到一個平衡點的。
參考資料 >
中國知網.胚胎干細胞的研究進展及其應用前景.2024-01-11
胚胎干細胞概述及用途.甘肅農業大學動物科學技術學院.2024-01-11
【科學普及】干細胞的前世今生.中國細胞生物學學會官微.2024-01-16
不老之泉探秘之四“胚胎干細胞——明日之星”.中國科學院.2024-01-11
豐慧根，竇曉兵. 全國普通高等醫學院校五年制臨床醫學專業“十三五”規劃教材 醫學細胞生物學[M]. 2016.讀秀.2024-01-11
世界首只胚胎干細胞“嵌合猴”在中國誕生.澎湃新聞.2024-01-16
關于胚胎干細胞研究的倫理思考.中國科學院.2024-01-11