干細胞能夠無限增殖，也能分化和發育為數百種不同細胞和身體組織的任何種類，這種多能性使得干細胞具有巨大的生物醫學工程學潛力。然而直到現在人們都難以確定整個細胞變化狀態過程干細胞發育調控的復雜性。

利用強大的新型單細胞遺傳分析技術，來自哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所和波士頓兒童醫院的科學家們，揭示出多能干細胞的變化遠比以前所認識的要多得多。這些發表在12月3日《自然》（Nature）雜志上的研究結果，使得研究人員朝著某天能夠將多種不同類型的干細胞應用于疾病治療和再生治療又近了一步。

論文的共同作者、Wyss研究所成員、麻省理工學院醫學工程和科學教授、以及生物工程學教授James Collins博士說：“在干細胞群中單個細胞之間具有很大的差異。一直以來它都被視作是開發可預測的干細胞工程學方法中存在的一個問題。現在，我們發現人們從前認為有問題的差異性可能實際上對于我們能夠控制干細胞有利。”

該研究小組發現，干細胞多能狀態中有許多微小的波動，它可以影響它將遵循的發育路徑。

論文的共同作者、波士頓兒童醫院干細胞移植主任、哈佛醫學院生物化學和分子藥理學教授George Daley說：“這是一項非常基礎的研究，但它闡明了多能性狀態廣泛性。我們捕獲了干細胞不同狀態的詳細分子譜。”

將這一點考慮在內，研究人員現在能夠更好地操控以及控制單個多能干細胞或干細胞群發育為哪些細胞和組織類型。

“這項研究使得利用一些新技術來研究單個細胞成為了可能，使我們從的角度在單細胞水平上觀測了干細胞異質性，”論文的共同主要作者、波士頓兒童醫院和哈佛醫學院博士后研究人員Patrick Cahan說。

通過采用多種變量如不同的化學物質、培養環境和遺傳敲除來擾亂多能干細胞，研究人員探究了它們的發育景觀。隨后，他們分析了每個細胞的遺傳組成，觀察了每個細胞多能狀態的微小波動。他們發現內部、化學和環境信號影響干細胞方式的許多細微差異，揭示出了復雜的發育調控因子“決策”回路。

論文的共同主要作者、Wyss研究所前博士后研究人員Roshan Kumar說：“這些新興的單細胞方法使得我們能夠非常地對細胞進行分類，確定控制細胞狀態的調控回路。這項研究背后的真正動力是要了解引起單個干細胞之間差異的原因和所導致的后果，以及細胞內一些關鍵調控因子平衡對于細胞發育結局的影響。”

基于這些研究發現，現在研究人員相信有一個“密碼”將干細胞調控回路中動態行為方式和細胞zui終選取的發育途經關聯起來。他們希望通過利用這一密碼能夠地調撥到特異的單細胞狀態，并利用它們來滿足各種目的，例如構建出患者自身身體無法生成的某些細胞類型。

Wyss研究所創始主任Donald Ingber說：“能夠了解整個不斷改變的多能性狀態過程中的干細胞并對其進行編程，是再生醫學取得成功至關重要的必要條件。通過讓干細胞工程變得更具可預測性，我們希望能夠利用可控制多能干細胞的多樣性來應對廣泛的疾病和損傷。”