20世紀90年代末是生物研究史上成果最豐碩的時期。第一隻克隆哺乳動物多莉的誕生之後，緊隨其後的是首次成功獲取人類胚胎幹細胞，然後，隨著新千年的到來，人類基因組計劃也完成了。
自那時起，媒體放大了這些成就，在許多相關研究人員的熱情鼓勵下，引發了公眾對再生醫學新時代的強烈興奮。有些人認為，在幾年內，透過幹細胞、克隆和基因工程的某種仍然模糊的組合，就有可能創造出新的細胞，最終創造出整個器官，以替代因疾病、事故或衰老而衰竭的器官。
這一承諾與倫理和宗教對幹細胞研究的反對意見相抵消，特別是對為了研究而專門創造胚胎然後將其銷燬的想法，以及對治療性克隆可能為生殖性克隆開啟大門的擔憂。
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對許多人來說，“幹細胞”這個詞本身就概括了所有的興奮和恐懼。但是，人們對幹細胞的瞭解普遍不足，並且對實現其潛力所需的時間抱有不切實際的期望。本報告旨在從科學角度闡明幹細胞研究的未來，以及推動國家和州政府向該領域投入數十億美元公共資金的相關政策問題。
首先，是一些基本定義。幹細胞作為一種生物修復系統，具有發展成體內多種型別特化細胞的潛力。理論上，它們可以無限分裂以補充其他細胞。當幹細胞分裂時，每個子細胞都可以保持為幹細胞，或者根據生化訊號的存在與否，採用更特化的角色，例如肌肉、血液或腦細胞。控制這種分化過程是幹細胞研究中最大的挑戰之一。
幹細胞本身並不是什麼新鮮事物。幹細胞療法已經使用了幾十年。最著名的例子是骨髓移植，用於治療白血病和其他血液疾病；其作用原理是骨髓中富含造血幹細胞。但到目前為止，所有療法都使用了通常被稱為成體幹細胞的細胞——當來源實際上是成體時，這個術語是合適的，但當細胞來自嬰兒或胎兒時，則具有誤導性。體細胞幹細胞可能是這些細胞更好的名稱。
從體細胞幹細胞獲得的特化細胞範圍是有限的——其限制程度目前是激烈科學辯論的主題，將在以後的文章中討論[見第A12頁的“內部修復者”]。早期胚胎可能是更好的來源，因為它們的所有細胞仍然是未特化的。胚胎幹細胞（通常縮寫為 ES 細胞）是多能的：它們可以分化成幾乎任何型別的細胞。
第一條（穩定的複製種群）人類 ES 細胞系是 1998 年由威斯康星大學的詹姆斯·湯姆森建立的。該過程包括從一個星期大的胚胎（或囊胚）內部取出細胞——一個由 50 到 100 個細胞組成的微觀球體——並在實驗室培養皿中用營養物質和生長因子培養它們。胚胎通常由接受體外受精治療的夫婦捐贈，否則會被丟棄。
即使經過全球七年的密集工作，世界上仍然只有不到 150 個特徵明確的 ES 細胞系，因為建立它們的過程非常棘手。在美國，只有 22 條細胞系可用於聯邦資助的研究，布什政府已下令美國國立衛生研究院不應支援 2001 年 8 月之後建立的細胞系的工作。一旦建立，幹細胞系基本上是不朽的。它可以冷凍儲存在細胞庫中，例如去年在英國建立的細胞庫，並分發給其他研究人員。
為了試圖繞過對銷燬人類胚胎用於研究的倫理反對意見，一些科學家一直在探索 ES 細胞的替代來源。一種方法是確定最不分化的成體幹細胞，並倒轉其發育時鐘，使其表現為多能 ES 細胞。另一種方法是透過單性生殖——啟用一個未受精的人卵，使其像早期胚胎一樣開始分裂。但尚不清楚這兩種方法在實踐中是否有效。
直到最近，研究人員一直在小鼠皮膚細胞層上培養人類 ES 細胞，這些細胞層被稱為飼養細胞，可抑制它們分化為更特化的細胞。它們還一直用來自小牛胎兒的血清滋養。不幸的是，這些非人類成分帶有被動物蛋白質或病原體汙染的風險，就像在異種移植中一樣，這可能會阻止幹細胞在臨床上的安全使用。
今年，有幾個研究小組宣佈成功地用人類成分替代了動物成分，但一些科學家認為，用於 ES 細胞生長和分化的專用培養基的汙染非常普遍，以至於很難完全消除[見第 A11 頁的方框]。
與成體幹細胞不同，ES 細胞不能直接用於治療，因為它們會導致癌症。事實上，對 ES 細胞進行的一項實驗室測試是將其注射到小鼠體內並分析出現的畸胎瘤（由胎兒組織形成的腫瘤）。因此，任何治療應用都需要科學家們推動 ES 細胞分化為特定的特化細胞，以便移植到患者體內——例如，產生胰島素以治療糖尿病患者的β細胞，或產生多巴胺以治療帕金森病的神經元。並且需要進行嚴格的篩選，以確保沒有 ES 細胞仍然存在。
如果建立 ES 細胞系很棘手，那麼引導它們的分化則是一場科學噩夢。研究人員才剛剛開始瞭解環境條件以及引導人類 ES 細胞使其成為穩定的神經細胞或肌肉細胞或治療所需的任何其他特化細胞所需的生長因子和其他蛋白質的組合。
生產胚胎幹細胞系很棘手。七年的艱苦工作僅產生了不到 150 個細胞系。
然而，對小鼠 ES 細胞的經驗表明，從人類 ES 細胞中開發出安全有效的療法是可能的。世界各地的研究人員正在為此付出巨大努力，因為基於細胞的療法非常有前景。生物學家認為，大多數退行性疾病都過於複雜，無法僅透過給患者藥物甚至基因療法來有效治療。產生更多生物活性分子的活細胞更有可能取得成功。
儘管尚未進行 ES 細胞的臨床試驗，但其他型別的細胞療法已經表明，這種移植在人身上是可行的。除了無處不在的骨髓移植外，還包括使用來自胎兒的神經幹細胞治療腦部疾病，以及使用來自屍體的產生胰島素的β細胞治療糖尿病。體細胞的成功背後蘊藏著 ES 細胞最終會更有效發揮作用的希望，但這需要更多的研究來證明這一點。
ES 細胞研究人員需要克服的障礙包括更有效地獲取 ES 細胞的更好方法；更好地識別 ES 細胞及其真實發育潛力的方法；控制它們在體內分化和生長的方法；瞭解免疫系統是否會攻擊 ES 細胞或由其分化的細胞；以及更多地瞭解 ES 細胞和體細胞在各種應用中的相對優勢。
雖然在患者身上直接使用幹細胞最讓政治家和公眾興奮，但許多科學家表示，其主要的醫療益處可能是間接的，透過其在研究中的使用來推進其他療法。如果研究人員能夠找出控制幹細胞生長和分化的複雜化學和遺傳訊號，其結果將在醫學上非常有用。ES 細胞應該可以開發組織發育和功能的模型，這將使化學家能夠更有效地測試潛在的藥物。
例如，如果可以引導來自已知透過基因篩查攜帶囊性纖維化基因的胚胎的 ES 細胞成為 CF 肺細胞，這將為研究該疾病和測試治療方法開啟新的視窗。對於藥物化學家而言，與生物學家不同，再生醫學的願景包括尋找藥物——理想情況下，患者可以透過口服來刺激自身組織再生的藥物——而不是亂用細胞療法。
科學仍然過於不確定，我們無法判斷幹細胞研究和再生醫學將如何發展。我們可能需要一到兩代人的時間才能從 20 世紀 90 年代末的偉大生物學進步中獲得大量的臨床益處。但最終的醫療回報可能是驚人的。