胚胎干细胞的多分化潜能使其成为细胞治疗的最好种子细胞，并且胚胎干细胞治疗能够解决同种异体器官移植时供体不足的问题。胚胎干细胞治疗策略尤其适用于某种单一类型细胞受损或功能障碍的疾病。例如，目前已有的研究涉及诱导胚胎干细胞分化成为多巴胺能神经元细胞，从而治疗帕金森病;分化成肝细胞治疗肝硬化症;分化成为胰岛β细胞治疗1型糖尿病;分化成为心肌细胞治疗心肌梗死以及许多的有广泛应用的其他类型的细胞。随着基础实验与临床实验的不断进展，胚胎干细胞很可能在未来疾病的治疗中发挥重要的作用。

已经有研究详述如何将人胚胎干细胞诱导分化为多巴胺能神经元，并且后者具有治疗帕金森症的潜能。转录因子Nurr1和Pitx3能够协同促进小鼠和人胚胎干细胞分化成为中脑多巴胺能神经元，并且胚胎干细胞来源的多巴胺能神经元在大鼠帕金森模型中表现出了部分逆转行为障碍的能力。胚胎干细胞同时也被用于研究阿尔兹海默，该疾病的发生通常是由于基底核的胆碱能神经元病变所致，造成基底前脑皮质类胆碱神经支配受损。将胚胎干细胞来源的神经球植入到功能障碍小鼠的额叶前部和基底核皮质能够明显缓解类胆碱缺陷，部分改善记忆丧失。在一项多发性硬化研究中，研究者将胚胎干细胞来源的少突胶质细胞移植入脱髓鞘缺陷的战栗小鼠大脑中，通过使用一种IL-6/sIL-6R融合蛋白提高了其脱髓鞘能力。此外还有研究致力于利用神经元再生来治疗缺血性脑损伤及改善麻痹症状。大量科学研究关注胚胎干细胞在神经元发育生物学中的潜能，旨在治疗由神经元细胞及其他种类的神经系细胞退行性病变引起的神经功能缺陷。此外，还有研究尝试使用胚胎干细胞治疗听力丧失和视觉障碍。这些感官功能的缺失虽然不致命，但却严重地影响到患者的生活质量。有研究报道，胚胎干细胞移植入成人前庭蜗神经能够纠正感觉神经所致的听力受损并且能够恢复螺旋神经节神经元的功能。总的来说，胚胎干细胞分化成为多种神经细胞的前景非常广阔，应用胚胎干细胞于多种疾病的临床研究正在进行当中，并且已有很多报道表明胚胎干细胞应用有效。尽管最终将胚胎干细胞应用于临床还有很多的瓶颈和难题要解决，但是目前取得的成果是鼓励科学研究不断向前的动力。

在胚胎干细胞研究领域中，已经有研究报道详述如何诱导胚胎干细胞分化成为肝细胞和心肌细胞。在退行性肝脏疾病及心肌梗死疾病中胚胎干细胞的应用潜能十分显著。由人和小鼠的胚胎干细胞诱导形成的类肝细胞通过白蛋白和尿素产物检测证明其具有正常的生理功能，小鼠的类肝细胞能够融合入小鼠肝脏中生长。较新的研究表明，胚胎干细胞所表现的肝组织发生具有特殊的重要意义。尽管单一的人肝脏细胞可以在肝脏移植中起到辅助作用，但是肝脏作为一个器官仍需替换。胚胎干细胞再生肝脏组织对于肝硬化的治疗意义重大，因为这可以解决依靠供体肝脏移植的难题。

为探索最合适心脏功能性发育的干细胞类型，有学者比较了骨髓间充质干细胞和胚胎干细胞。他们发现在同品系小鼠中，只有胚胎干细胞具有恢复梗死心肌细胞收缩功能的能力。随着诱导胚胎干细胞成心肌方法的不断优化，迅速发展的心肌再生医学研究今后的侧重点将是其在体内的功能研究。尽管胚胎干细胞的临床应用并非近在咫尺，但人们已经开展了大量利用定向分化干细胞的“心脏组织细胞置换手术”临床研究，这预示着胚胎干细胞在未来的临床应用中将扮演重要角色。

诱导胚胎干细胞分化成为多种血细胞的实验技术已经相对完善。目前已经能够高效地诱导胚胎干细胞向造血祖细胞状态分化，并且这些细胞具有异种融合入受体羊的能力。另外，当胚胎干细胞与OP9骨髓间质细胞共培养后，前者分化表达CD34阳性，并且与造血祖细胞的基因型、表型相似。继续培养，该细胞还能够分化成为B细胞、NK细胞、巨噬细胞以及粒细胞。还有研究者使用人的胚胎干细胞分化产生功能性T细胞。这些研究促进了使用胚胎干细胞来替换或者生成多种血细胞类型的治疗方法的发展。它们同时也突出了基于血细胞微嵌合免疫耐受技术的潜在能力。

成体干细胞已经被应用于一些细胞疗法，其被期望于最终使用在很多其他的应用上。不像胚胎干细胞和EG细胞，成体干细胞不受大多数道德问题的影响，使用自体细胞进行定制的疗法，同时也规避了一些免疫问题。不同的成体干细胞在用于临床治疗时遇到的障碍是相似的。成体组织衍生的成体干细胞的数量极少。另外，大多数组织里的成体干细胞的数量随年龄的上升而下降，而对于成体干细胞的需求却随年龄上升而上升。疗法一般要大量的成体干细胞，因此需在体外培养扩增，但一般在体外培养环境扩增的速度却非常慢。成体干细胞临床应用的潜力是巨大的，所以仍需不断地尝试以克服各种各样的困难，以期早日造福患者。

胚胎干细胞在组织工程的临床应用遵循《良好生产规范》( GMP)以及安全监管审查，对分离和培养胚胎干细胞的技术进行规范。尤其重要的是，应该使用人类饲养层细胞来代替小鼠饲养层细胞，或是使用不需要饲养细胞的条件。另外，发展不依赖非人类血清的培养条件也很有必要。

目前的重大挑战是，如何使胚胎干细胞高效率地定向分化成目标细胞种类。其难题在于胚胎干细胞是从相隔很多发育步骤的已分化的成体细胞分离出来的，到现在我们还无法对限制分化种类的关键步骤进行控制。而且，这种情况很有可能也发生在使用体细胞核转移或其他改编体细胞核的方法而形成的胚胎干细胞上。

在体外诱导分化胚胎干细胞时，胚胎干细胞会贴在塑料上形成单层细胞，或时常形成胚状体细胞团。过一段时间这些细胞团会形成很多不同的细胞种类，包括三个胚层中的代表性细胞。分化成其他细胞系需要让胚胎干细胞持续暴露在诱导条件下，该条件可能是已知的或是通过不断尝试而得知的信号通路。评论指出，体外分化得到的细胞包括:一些神经元的种类、星型胶质细胞、少突胶质细胞、间充质前体细胞、成骨细胞、心肌细胞、角质细胞、肺细胞、造血细胞、肝细胞、胰岛β细胞等。

总的来说，取得外胚层细胞(包括神经元)和中胚层细胞(包括心肌细胞)比取得内胚层细胞要简单。应用灵长类动物和人类胚胎干细胞衍生的多巴胺能神经元测试其在动物模型上对治疗帕金森症的效果，结果令人振奋。胚胎干细胞衍生的少突胶质细胞治疗脊髓损伤模型的结果也很有前景。人类胚胎干细胞衍生的心肌细胞将来也将作临床使用，但是必须严格达到功能标准以保证生理能力，不然会有引发心律失常的风险。

尽管大量的研究结果使我们对于胚胎干细胞治疗的前景持积极乐观态度，但是现实是胚胎干细胞的临床应用还远没有成熟。事实上，胚胎干细胞的特性使其在细胞替代治疗中的优势非常突出，同时又面临极大的障碍:一是多能性，另一个是无限自我更新能力。体内形成畸胎瘤或畸胎恶瘤风险是胚胎干细胞治疗的最大障碍。如果不绝对地消除这种可能性，胚胎干细胞临床治疗不可能安全开展。胚胎干细胞形成肿瘤的证据充分并且在目前所有诱导胚胎干细胞分化的方法中都会出现，目前研究者们正在努力地解决这些问题，使用了包括基于不成熟细胞表面标志的流式分选、细胞培养方法的优化、基因芯片测序和基因操作在内的多种策略试图解决这个问题。例如，当诱导猕猴的胚胎干细胞分化成造血祖细胞并移植到胎肝时，如果通过筛选出小部分SSEA阴性的细胞就可以消除肿瘤发生的概率。同样对于猕猴，考虑到多巴胺能神经元无限发育的能力，在使用其胚胎干细胞移植入脑部之前，使用细胞流式法分选出表达神经前体细胞的表面标志Sox1能够消除体内肿瘤形成的可能性。另一个试图避免肿瘤形成的方法则将重点放在改变细胞培养条件，即使用黏附于胚胎干细胞来源的神经性聚合物做基底。使用该方法移植到退化的鼠脑纹状体后四个月胚胎干细胞并没有出现肿瘤。另一方面，基因芯片技术也被用来区分未分化的胚胎干细胞和已经分化的细胞以减少未来临床应用中畸胎瘤形成的可能。现有的研究表明胚胎干细胞的肿瘤发生是其用于临床治疗的极大阻碍，但目前取得的一些成果也是鼓舞人心的。

另一个障碍就是机体对胚胎干细胞来源的组织移植物的免疫反应。啮齿类动物模型中的皮肤移植实验表明评估机体对于自身以及外源性组织的免疫反应具有重要意义。在经典的移植环境中，移植排斥主要是由细胞介导的免疫反应引起的。在缺乏T细胞的裸鼠体内不会出现对同种异体植皮的排斥反应;然而当移植入T细胞后，裸鼠就获得了对异体植皮排斥的能力。排斥产生的原因是供体与受体在多肽基因位点的等位基因不同，导致组织相容性抗原不同。免疫排斥的主要决定因素是主要组织相容性复合物，在人类中又叫做人类白细胞抗原。可是，即便组织相容性复合物HLA匹配非常重要，但是仅仅这一点符合也不能够满足临床对于移植的要求。这一现象最可能的原因是主要组织相容性抗原的作用。不同个体之间多肽蛋白的氨基序列不同，从而导致了供体与受体之间主要相容性抗原不同。关于受体对胚胎干细胞来源的移植物是否产生免疫反应，目前主要有两种观点。一方认为胚胎干细胞及其衍生物具有某种免疫豁免权，因此不会引起同种异体的免疫反应;然而另一方认为胚胎干细胞来源的同种异体移植物会受到排斥。首先，人胚胎干细胞低表达MHCⅠ型分子，几乎检测不到MHCⅡ型分子的表达。因此，胚胎干细胞在体外引起同种异体的幼稚T细胞增殖的能力受到置疑，免疫豁免特性得到了肯定。实际上已经有研究报道将啮齿类动物的胚胎干细胞诱导而成的心肌细胞移植到羊的受损心脏中，心肌细胞未受到免疫抑制。尽管以上研究结果让胚胎干细胞的应用显得非常乐观，但在机体在移植区域对胚胎干细胞的一些代谢产物产生免疫排斥还是有极大的可能性。首先，尽管未分化的胚胎干细胞低表达MHC，这并不意味分化后的细胞也会同样低水平表达MHC。实际上当胚胎干细胞在体外分化成拟胚体或者在体内形成畸胎瘤时，MHC的表达量分别成四倍和十倍的增加。而且，即使在体外胚胎干细胞来源的移植物缺少树突状细胞时能够避免直接免疫排斥，但胚胎干细胞的代谢性产物可能会被受体的树突状细胞识别，从参与间接途径引发的慢性排斥反应。此外，MHC可能对于同种异体移植物是否能够被受体接受起关键作用。曾有研究报道，当胚胎干细胞来源的心肌细胞移植入梗死的同种异体小鼠心肌后，免疫源性增加。

可以说，在细胞疗法中使用胚胎干细胞最大的阻碍就是道德问题以及所引发的政治、法律、社会问题。从囊胚的内细胞团中分离胚胎干细胞的时候，会破坏植入前的胚胎。道德问题在于，分离干细胞会破坏一个本来可以成为生命的个体。Nature杂志曾发表过两篇在小鼠身上做的原理论证研究，试图研究规避上述道德问题的方法。Lanza和他的同事展示了用一个单细胞胚胎切片来生成一个胚胎干细胞系，并让该胚胎留存其完整的发育能力。Meissner和Jaenisch贡献了另一个方法，即改良的细胞核移植法，通过关闭cdx2基因的表达，而使囊胚无法植入子宫内膜。此法所得到的胚胎干细胞系之后再被修改，让cdx2基因被恢复表达。即使科学家无法解决道德问题，但从这些科研进程中不难发现，人类对于研究胚胎干细胞来提高医药的尝试从未间断。