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胚胎干细胞通常被称为人类多能干细胞，它可以产生许多不同的细胞类型。这与“多能”干细胞形成对比，后者只能分化为有限数量的细胞类型。多能干细胞是非特化的，不具备使它们能够在特定组织中执行特定功能的特定特征（例如形状或基因表达模式）。胚胎干细胞通常在实验室中作为“干细胞系”生长，这是人类细胞的培养物，可以维持和扩增以增加多能干细胞的总量。几个人类胚胎干细胞系已经建立并用于研究目的。胚胎干细胞的使用是一个有争议的话题，因为需要破坏胚胎才能获得它们。这引起了伦理方面的担忧，许多国家的法律和指南都对胚胎干细胞的使用进行了规范。尽管存在这些争议，但对胚胎干细胞的研究使人们对有了的了解。胚胎干细胞有可能用于开发针对多种疾病和病症的新疗法。
干细胞的体外培养由于干细胞的数目很少，因此需要在体外对干细胞进行非分化性增殖。这需要许多生长因子和间质细胞的共培养。Brustle等人在体外成功地培养了鼠的ES细胞。他们首先把分离的ES细胞在含有FGF2的培养基中培养，随后加入上皮生长因子（EGF），在FGF2和PDGF的混合培养基中生长增殖。在这种培养条件下，ES细胞可以保持其分化潜能，如停止供给生长因子，ES细胞会分化为寡树突细胞或星状细胞[9]。不同组织来源的干细胞的培养条件不尽相同。在应用前还需依据靶组织类型对培养干细胞进行定向分化导。准确的分化导是应用干细胞治疗的基础。这需要对与干细胞发育有关的信号调节及微环境的影响进行详细研究。
干细胞通过两种方式生长 ，一种是对称分裂——形成两个相同的干细胞，另一种是非对称分裂——由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆的走向分化的终端成为功能专一的分化细胞；另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。分化细胞的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数控制。可以说，干细胞是具多潜能和自我更新特点的增殖速度较缓慢的细胞。
干细胞是具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞，是机体的起源细胞，是形体各种组织器官的始祖细胞。造血干细胞是造血细胞和免疫细胞的起源细胞，具有自我更新、多向分化和归巢（即定向迁移至造血组织器官）潜能。它不仅可分化为红细胞、白细胞和血小板，有研究发现，造血干细胞还可跨系统分化为多种组织器官的细胞，因此是多功能干细胞。骨髓是存在于长骨（如肱骨、股骨）的骨髓腔和扁平骨（如髂骨）的稀松骨质间网眼中的海绵状组织。能产生血细胞的骨髓略呈红，称为红骨髓。人出生时，红骨髓充满全身骨髓腔，随着年龄增大，脂肪细胞增多，相当一部分红骨髓被黄骨髓取代，几乎只有扁平骨骨髓腔中有红骨髓，成年人骨髓量一般为3千克左右。