干细胞因其能够转化为血细胞、皮肤细胞、神经细胞和肌肉细胞等多种细胞类型，在医学研究中被认为具有巨大潜力。科学家们相信，理解干细胞的工作原理并掌握操控其发育过程的方法，可能在多个领域带来重大进展。但这需要大量严谨的研究，因此分子生物学家正致力于开发更高效、更优质的培养技术来获取高质量人类干细胞。研究发现，一种可行方案是在活体老鼠中培养人类干细胞。
目前，科研中最常用且有效的细胞培养方式是体外细胞培养。"体外"一词源自拉丁语"in glass"，但现代实验多使用塑料容器如烧瓶或培养皿。尽管人类在体外培养植物、动物和人类细胞方面已有近百年经验，但这种方法存在显著缺陷。首要问题在于细胞在体外难以良好生长，必须精确调控培养条件才能使其茁壮增殖。另一关键问题是：细胞在生物体内生长时处于复杂系统中，被其他细胞、蛋白质和组织包围在三维环境中；而体外培养通常仅能形成附着在容器上的单层细胞，或仅适用于特定细胞的悬浮培养。这导致体外培养的细胞无法准确模拟生物体内的真实行为，研究数据可能与活体情况不符。虽然对多数应用而言已足够接近，但远非理想状态。
绝大多数干细胞研究同样依赖体外方法，因此这些细胞同样面临上述问题，甚至更严重——培养过程可能干扰其向其他细胞类型分化的关键能力。在培养人类干细胞时，精确控制每个细节至关重要。科学家期望干细胞研究能帮助治疗或治愈阿尔茨海默病、帕金森病等复杂疾病，这些疾病损害几乎无法再生的神经元。若能理解并利用干细胞的再生能力，未来或可修复受损神经元。当前研究聚焦于多能干细胞，这类细胞能分化为身体所需的大多数细胞类型，但实现精准分化需极其严格的培养技术。
如何优化人类干细胞培养？使用活体老鼠替代培养皿成为潜在解决方案。例如，剑桥大学研究人员在2016年将人类干细胞注入小鼠胚胎，观察其是否随小鼠同步发育。结果显示，超70%的移植胚胎成功生长出人类干细胞，证明人类干细胞可在活体小鼠胚胎阶段实现体内培养。然而，研究需大量干细胞，2020年的新突破解决了此难题：为在小鼠体内培养足量人类多能干细胞，研究人员首先将细胞重置回原始阶段（naive phase）——多能性的最初状态。这是因为小鼠胚胎干细胞处于原始阶段，而人类多能干细胞已进入启动阶段（primed phase），即准备定向分化的阶段。为使人类干细胞有效生长，必须匹配小鼠胚胎发育阶段。科学家通过注射抑制剂关闭细胞发育相关蛋白质，将启动阶段干细胞转化为原始阶段，再将其植入2-4日龄小鼠胚胎。约17天后分析显示，衍生自原始人类干细胞的细胞占胚胎总量的0.1%-4%——考虑到小鼠胚胎本应发育成小鼠而非人类，这一比例相当可观。更关键的是，这些干细胞已在小鼠体内分化为肝细胞、皮肤细胞和血细胞等人类细胞类型。
该技术对生物医学研究意义重大。首先，它能创建更精准的人类疾病小鼠模型：当前虽用小鼠研究人类疾病，但小鼠无法自然罹患所有目标疾病，基因改造模拟症状的准确性也有限；让小鼠携带人类细胞可显著缩小实验差距。另一重大突破在于器官生成：若能在非人类动物体内培养细胞，未来或可在其体内培育功能性人类器官。科学前景虽广阔，但伦理挑战不容忽视——若动物含有人类细胞和DNA，是否应区别于普通实验动物？尽管在老鼠中培养细胞的方法不会取代传统技术，但它为实现干细胞的医疗潜力提供了关键路径。
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