20世纪90年代末是生物研究史上成果最丰硕的时期。第一只克隆哺乳动物多莉的诞生之后，紧随其后的是首次成功获取人类胚胎干细胞，然后，随着新千年的到来，人类基因组计划也完成了。
自那时起，媒体放大了这些成就，在许多相关研究人员的热情鼓励下，引发了公众对再生医学新时代的强烈兴奋。有些人认为，在几年内，通过干细胞、克隆和基因工程的某种仍然模糊的组合，就有可能创造出新的细胞，最终创造出整个器官，以替代因疾病、事故或衰老而衰竭的器官。
这一承诺与伦理和宗教对干细胞研究的反对意见相抵消，特别是对为了研究而专门创造胚胎然后将其销毁的想法，以及对治疗性克隆可能为生殖性克隆打开大门的担忧。
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对许多人来说，“干细胞”这个词本身就概括了所有的兴奋和恐惧。但是，人们对干细胞的了解普遍不足，并且对实现其潜力所需的时间抱有不切实际的期望。本报告旨在从科学角度阐明干细胞研究的未来，以及推动国家和州政府向该领域投入数十亿美元公共资金的相关政策问题。
首先，是一些基本定义。干细胞作为一种生物修复系统，具有发展成体内多种类型特化细胞的潜力。理论上，它们可以无限分裂以补充其他细胞。当干细胞分裂时，每个子细胞都可以保持为干细胞，或者根据生化信号的存在与否，采用更特化的角色，例如肌肉、血液或脑细胞。控制这种分化过程是干细胞研究中最大的挑战之一。
干细胞本身并不是什么新鲜事物。干细胞疗法已经使用了几十年。最著名的例子是骨髓移植，用于治疗白血病和其他血液疾病；其作用原理是骨髓中富含造血干细胞。但到目前为止，所有疗法都使用了通常被称为成体干细胞的细胞——当来源实际上是成体时，这个术语是合适的，但当细胞来自婴儿或胎儿时，则具有误导性。体细胞干细胞可能是这些细胞更好的名称。
从体细胞干细胞获得的特化细胞范围是有限的——其限制程度目前是激烈科学辩论的主题，将在以后的文章中讨论[见第A12页的“内部修复者”]。早期胚胎可能是更好的来源，因为它们的所有细胞仍然是未特化的。胚胎干细胞（通常缩写为 ES 细胞）是多能的：它们可以分化成几乎任何类型的细胞。
第一条（稳定的复制种群）人类 ES 细胞系是 1998 年由威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森创建的。该过程包括从一个星期大的胚胎（或囊胚）内部取出细胞——一个由 50 到 100 个细胞组成的微观球体——并在实验室培养皿中用营养物质和生长因子培养它们。胚胎通常由接受体外受精治疗的夫妇捐赠，否则会被丢弃。
即使经过全球七年的密集工作，世界上仍然只有不到 150 个特征明确的 ES 细胞系，因为建立它们的过程非常棘手。在美国，只有 22 条细胞系可用于联邦资助的研究，布什政府已下令美国国立卫生研究院不应支持 2001 年 8 月之后创建的细胞系的工作。一旦建立，干细胞系基本上是不朽的。它可以冷冻储存在细胞库中，例如去年在英国建立的细胞库，并分发给其他研究人员。
为了试图绕过对销毁人类胚胎用于研究的伦理反对意见，一些科学家一直在探索 ES 细胞的替代来源。一种方法是确定最不分化的成体干细胞，并倒转其发育时钟，使其表现为多能 ES 细胞。另一种方法是通过单性生殖——激活一个未受精的人卵，使其像早期胚胎一样开始分裂。但尚不清楚这两种方法在实践中是否有效。
直到最近，研究人员一直在小鼠皮肤细胞层上培养人类 ES 细胞，这些细胞层被称为饲养细胞，可抑制它们分化为更特化的细胞。它们还一直用来自小牛胎儿的血清滋养。不幸的是，这些非人类成分带有被动物蛋白质或病原体污染的风险，就像在异种移植中一样，这可能会阻止干细胞在临床上的安全使用。
今年，有几个研究小组宣布成功地用人类成分替代了动物成分，但一些科学家认为，用于 ES 细胞生长和分化的专用培养基的污染非常普遍，以至于很难完全消除[见第 A11 页的方框]。
与成体干细胞不同，ES 细胞不能直接用于治疗，因为它们会导致癌症。事实上，对 ES 细胞进行的一项实验室测试是将其注射到小鼠体内并分析出现的畸胎瘤（由胎儿组织形成的肿瘤）。因此，任何治疗应用都需要科学家们推动 ES 细胞分化为特定的特化细胞，以便移植到患者体内——例如，产生胰岛素以治疗糖尿病患者的β细胞，或产生多巴胺以治疗帕金森病的神经元。并且需要进行严格的筛选，以确保没有 ES 细胞仍然存在。
如果建立 ES 细胞系很棘手，那么引导它们的分化则是一场科学噩梦。研究人员才刚刚开始了解环境条件以及引导人类 ES 细胞使其成为稳定的神经细胞或肌肉细胞或治疗所需的任何其他特化细胞所需的生长因子和其他蛋白质的组合。
生产胚胎干细胞系很棘手。七年的艰苦工作仅产生了不到 150 个细胞系。
然而，对小鼠 ES 细胞的经验表明，从人类 ES 细胞中开发出安全有效的疗法是可能的。世界各地的研究人员正在为此付出巨大努力，因为基于细胞的疗法非常有前景。生物学家认为，大多数退行性疾病都过于复杂，无法仅通过给患者药物甚至基因疗法来有效治疗。产生更多生物活性分子的活细胞更有可能取得成功。
尽管尚未进行 ES 细胞的临床试验，但其他类型的细胞疗法已经表明，这种移植在人身上是可行的。除了无处不在的骨髓移植外，还包括使用来自胎儿的神经干细胞治疗脑部疾病，以及使用来自尸体的产生胰岛素的β细胞治疗糖尿病。体细胞的成功背后蕴藏着 ES 细胞最终会更有效发挥作用的希望，但这需要更多的研究来证明这一点。
ES 细胞研究人员需要克服的障碍包括更有效地获取 ES 细胞的更好方法；更好地识别 ES 细胞及其真实发育潜力的方法；控制它们在体内分化和生长的方法；了解免疫系统是否会攻击 ES 细胞或由其分化的细胞；以及更多地了解 ES 细胞和体细胞在各种应用中的相对优势。
虽然在患者身上直接使用干细胞最让政治家和公众兴奋，但许多科学家表示，其主要的医疗益处可能是间接的，通过其在研究中的使用来推进其他疗法。如果研究人员能够找出控制干细胞生长和分化的复杂化学和遗传信号，其结果将在医学上非常有用。ES 细胞应该可以开发组织发育和功能的模型，这将使化学家能够更有效地测试潜在的药物。
例如，如果可以引导来自已知通过基因筛查携带囊性纤维化基因的胚胎的 ES 细胞成为 CF 肺细胞，这将为研究该疾病和测试治疗方法打开新的窗口。对于药物化学家而言，与生物学家不同，再生医学的愿景包括寻找药物——理想情况下，患者可以通过口服来刺激自身组织再生的药物——而不是乱用细胞疗法。
科学仍然过于不确定，我们无法判断干细胞研究和再生医学将如何发展。我们可能需要一到两代人的时间才能从 20 世纪 90 年代末的伟大生物学进步中获得大量的临床益处。但最终的医疗回报可能是惊人的。