Khả năng sử dụng tế bào ES trong nghiên cứu y sinh học đã hé mở một lĩnh vực ứng dụng mới đó là “y học tái tạo” bắt nguồn từ tính đa năng của của ES do chúng có khả năng tự phân chia và đổi mới vô hạn, hoặc phân hóa thành nhiều loại tế bào, không chỉ là loại bắt nguồn từ ba quần thể tế bào sáng lập (ngoại bì, trung bì và nội bì) ở phôi từ đó sẽ sinh ra tất cả các tế bào của cơ thể, mà còn cả các loại mô chuyên hóa hỗ trợ phôi trong tử cung. Năm 1981, Martin và Evans cùng lúc phát hiện thấy rằng các tế bào ES của chuột được nuôi cấy trong các điều kiện đặc biệt, bắt đầu phân chia và có thể nhân lên vô hạn mà không phân hóa, cố định ở giai đoạn phát triển phôi sớm này. Tuy nhiên, ngay cả sau khi tạo ra nhiều thế hệ trong nuôi cấy, những tế bào ES này vẫn nhớ chúng được chương trình hóa vì cái gì, và giữ khả năng phân hóa thành bất cứ loại tế bào chuyên hóa nào của cơ thể.
Năm 1998, Thomson và cs đã phân lập được tế bào ES từ phôi người và nhận thấy chúng khác với tế bào gốc chuột ở nhiều điểm, như là khó duy trì và nhân lên trong nuôi cấy. Năm 2000, Pera và cs đã chứng minh các tế bào ES người cũng có thể phân hóa trong điều kiện in vitro thành các loại tế bào trưởng thành khác nhau. Chẳng hạn, họ đã phân lập được từ các tế bào ES nuôi cấy in vitro một quần thể tiền tế bào thần kinh thuần khiết, và trong một số điều kiện chúng có thể phân hóa thành các tế bào thần kinh thành thục. Hai tính chất của tế bào ES người đa năng là khả năng sinh sản vô hạn ở trạng thái phôi nguyên thủy trong điều kiện in vitro, và khả năng phân hóa thật sự thành bất kỳ loại tế bào trưởng thành nào. Vì vậy, có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng chúng, nhưng tựu trung có các hướng chính sau:
1. Ứng dụng tế bào mầm phôi trong nghiên cứu cơ bản
Trên thực tế, những tế bào ES là một công cụ quý giá để hiểu rõ hơn sự phát triển của phôi người và những dị dạng khác nhau có thể làm rối loạn sự phát triển này. Các tế bào ES cung cấp một phương tiện nghiên cứu các sự kiện chủ yếu như sự tăng sinh các tế bào đa năng, sự tham gia của chúng vào các con đường phân hóa đặc thù, cũng như các nhân tố điều khiển chúng. Việc nghiên cứu dòng tế bào ES mang 3 nhiễm sắc thể như thể ba 21 sẽ giúp các nhà nghiên cứu đánh giá hậu quả của những tai biến di truyền này đến sự phát triển. Ngoài ra, tế bào ES là niềm hy vọng trong cuộc đấu tranh chống lại nhiều loại u ở trẻ em, như u nguyên bào thận, bắt nguồn từ các quần thể tế bào phôi, nhưng dấu hiệu sinh bệnh khó nghiên cứu. Tế bào ES sẽ giúp chúng ta xác định tác dụng của các gen gây ung thư và các gen ngăn chặn ung thư ở các quần thể tế bào đích sinh ra các khối u phát triển này
Những tế bào ES này và con cháu phân hóa của chúng, là tiền thân của các loại tế bào nhất định, sẽ được dùng để xác định tác dụng của cytokin và các nhân tố sinh trưởng khác đến sự tăng sinh các quần thể tế bào phôi mà cho đến nay vẫn chưa tiếp cận được để nghiên cứu. Về phương diện điều trị, tương tự như các nhân tố được xác định về tác dụng kích thích sinh trưởng, các tế bào ES máu đã có ứng dụng lâm sàng trong trường hợp ghép tủy, những nhân tố sinh trưởng và phân hóa được xác định nhờ nuôi cấy tế bào ES có thể có ứng dụng trong việc tái tạo các mô khác.
2. Nghiên cứu chức năng gen
Với thành tựu đã xác định được bộ gen của người, người ta có thể xét nghiệm nhanh trong ống nghiệm để xác định chức năng của các gen. Vì các tế bào ES nuôi cấy có thể dễ xử lý di truyền, nhất là chịu những biến đổi định vị tại các vị trí nhiễm sắc thể đặc thù nhờ cách tái tổ hợp cùng nguồn, mới hoặc đã biết, trong các tế bào phôi hoặc ở các tế bào trưởng thành đã phân hóa.
3. Nghiên cứu các mô hình bệnh lý
Theo nguyên lý, vì tế bào ES là một nguồn in vitro đối với bất kỳ loại tế bào nào của cơ thể, vì thế chúng có vai trò quan trọng trong độc chất học và quá trình tìm ra các loại thuốc. Khả năng sản xuất với số lượng lớn một loại tế bào đặc biệt của người trong ống nghiệm, từ những tế bào tiền thân mà người ta có thể biến đổi di truyền, sẽ giúp tạo ra các mô hình bệnh lý do khuyết tật của một hoặc nhiều gen ở một mô đặc biệt. Những tế bào người này bắt nguồn từ các tế bào ES được biến đổi di truyền sẽ là nguyên liệu lý tưởng để chọn lọc trong ống nghiệm các phân tử điều trị. Chúng sẽ không cần đến mô hình động vật có thể thiếu những đặc điểm quyết định sự phát triển bệnh ở người.
4. Ứng dụng trong y học tái tạo
Mặc dù các ứng dụng tương lai của tế bào ES trong nghiên cứu là quan trọng, nhưng ứng dụng hấp dẫn nhất là có thể dùng các tế bào này làm nguồn mô để ghép. Nhiều bệnh làm người suy yếu do hiện tượng tế bào chết, hoặc thoái hóa do các quá trình sinh lý bệnh lý mãn tính hoặc tổn thương nghiêm trọng. Trong những trường hợp như vậy, việc thay thế các mô tổn thương bằng một mô lành là hy vọng chữa khỏi nhất. Từ nhiều năm nay, dịch vụ cấy ghép đã phải đương đầu với tình trạng không đủ các mô và cơ quan cống hiến. Cho nên về nguyên tắc, tế bào ES càng được quan tâm, vì chúng là nguồn đổi mới vô hạn cho tất cả các loại tế bào của cơ thể, bên cạnh các “tế bào mầm trưởng thành”. Trên thực tế, trong nhiều tình huống lâm sàng, việc ghép tế bào có khả năng tái tạo mô có ảnh hưởng là tốt hơn so với ghép cơ quan trọn vẹn. Nếu kết hợp công nghệ tế bào ES với công nghệ nhân bản động vật có vú, người ta có thể xem xét sản xuất tế bào ES bắt nguồn từ chính các tế bào của người bệnh, nhằm vào một loại “tự ghép”, để tránh hiện tượng thải loại. Chỉ cần dung hợp một tế bào của người bệnh vào một noãn bào đã tách nhân (như trong trường hợp nhân bản cừu Dolly), rồi cho trứng thu được từ đó phát triển tới giai đoạn phôi bào để phân lập tế bào ES, kích thích các tế bào này phân hóa ở mô cần ghép. Phương pháp này, được gọi là là nhân bản điều trị, có thể tạo ra các mô lành hoàn toàn phù hợp, vì có cùng thành phần di truyền như của người bệnh, cùng dấu chuẩn tương hợp mô. Chẳng hạn, người ta đã thành công khi sản xuất tế bào ES ở chuột từ một phôi bào được nhân bản, sau đó những tế bào này khi được tiêm lại vào một phôi chuột, đã phân hóa như mong đợi, thành rất nhiều loại mô.
Nhưng phải nhấn mạnh rằng, tất cả các ứng dụng tế bào ES người, trước khi ra đời, sẽ cần phải hiểu rõ hơn các quá trình sinh học kế cận, cũng như cải tiến các hệ thống nuôi cấy tế bào. Hiện nay, hiểu biết của chúng ta về tế bào ES (tế bào gốc) đa năng còn khá hạn chế, kể cả ở chuột, cho nên vẫn còn nhiều điều phải biết về tế bào ES người trước khi có thể nuôi cấy chúng với quy mô lớn và xử lý chúng về mặt di truyền. Cũng phải cần hiểu cách điều khiển sự phân hóa của chúng thành các tế bào tiền thân của các mô khác nhau, và cách nuôi cấy các tế bào này. Ví dụ, trong trường hợp tiền thân của tế bào thần kinh, có những hệ nuôi cấy rất tốt giúp chúng ta nhân chúng lên, rồi để chúng biến đổi thành tế bào thần kinh thành thục. Người ta cũng đã phân hóa đặc trưng các tế bào ES chuột thành các tế bào thần kinh có hoạt tính dopamin, mà nếu thoái hóa sẽ gây bệnh Parkinson. Tiếc rằng, đối với nhiều dòng tế bào khác, người ta vẫn chưa làm chủ được các giai đoạn này. Cuối cùng, trước khi nhân bản điều trị đạt tới giai đoạn ứng dụng lâm sàng, vẫn còn nhiều việc phải làm để cải tiến hiệu quả của giai đoạn nhân bản, và chứng minh rằng các phôi được nhân bản có thể sinh ra các mô hoạt động bình thường. Tuy có rất nhiều trở ngại nhưng hiểu biết của con người về sự phát triển phôi đã tiến bộ rất nhanh trong những năm gần đây. Nếu cộng đồng khoa học được ủng hộ để cố gắng nghiên cứu đến cùng, thì tế bào gốc người đa năng có thể sẽ đóng góp chủ yếu vào y học thế kỷ 21 này.