Die Stammzelldifferenzierung ist ein Prozess, bei dem sich eine unspezialisierte Stammzelle zu einem bestimmten Gewebetyp entwickelt, wie einem reifen roten Blutkörperchen. Dies geschieht in allen Lebensphasen, von der sehr frühen Embryonalentwicklung bis ins Erwachsenenalter, da der Körper ständig neue spezialisierte Zellen benötigt, um zu funktionieren. An der Zelldifferenzierung sind mehrere Faktoren beteiligt, darunter umweltbedingte und biologische Auslöser für verschiedene Zelltypen.
Die Anzahl der verschiedenen Zellarten, zu denen eine Stammzelle heranreifen kann, spiegelt sich in ihrer Potenz wider. Eine totipotente Zelle kann sich bei der Reife zu jeder Art von Zelle entwickeln. Solche Zellen kommen in den frühen Blastozystenphasen der Embryonalentwicklung vor, wenn jede Zelle in der Lage sein muss, eine Vielzahl von Zellen hervorzubringen, damit sich ein Embryo entwickeln kann. Mit fortschreitender Embryonalentwicklung werden die Stammzellen von Natur aus pluripotent, mit der Fähigkeit, in eine Vielzahl von Zelltypen zu divergieren, aber nicht alle.
Multipotente Stammzellen können sich in mehrere verwandte Zelltypen differenzieren. Hämatopoetische Zellen, die verschiedene Arten von Blutzellen hervorbringen, können beispielsweise eine Stammzelldifferenzierung durchlaufen, um sich in weiße oder rote Blutkörperchen zu verwandeln. Sie können sich jedoch nicht in Magenschleimhaut oder Neuronen verwandeln. Multipotente Zellen dieser Art werden üblicherweise in erwachsenen Organismen gefunden, um ständig frische Zellen zu liefern, um abgenutzte und beschädigte ältere Zellen zu ersetzen.
Bei der Stammzelldifferenzierung erhält eine Stammzelle das Signal, mit der Reifung zu beginnen. Die Zelle kann mehrere Lebensstadien durchlaufen, bevor sie zu einer reifen Zelle wird. In jedem Stadium kann ein Fehler auftreten und die Zelle kann sich verformen oder andere Probleme entwickeln. Das Immunsystem bleibt auf solche Zellen wachsam, damit es eingreifen kann, um sie zu zerstören und ihre Bestandteile zu recyceln, bevor sie die Möglichkeit haben, sich vollständig zu entwickeln und Probleme zu verursachen. Der Körper braucht unter anderem ständig neue Blut- und Hautzellen und ist auf die Stammzelldifferenzierung angewiesen, um diesen Bedarf zu decken.
Wissenschaftliche Forscher haben aufgrund ihrer totipotenten und pluripotenten Eigenschaften ein besonderes Interesse an der Differenzierung embryonaler Stammzellen. Sie untersuchen die Embryonalentwicklung, um mehr darüber zu erfahren, wie Zellen reifen und in welcher Reihenfolge verschiedene Strukturen während der Entwicklung eines Embryos auftreten. Dies kann wichtige Informationen über Geburtsfehler sowie die biologische Geschichte eines Organismus liefern. Viele Organismen zeigen eine parallele Embryonalentwicklung bis zu einem bestimmten Stadium, in dem sie beginnen, radikal anders auszusehen, genau wie vollreife Exemplare verschiedener Arten. Diese Ähnlichkeiten in der Entwicklung können auf die Evolutionsgeschichte verschiedener Organismen hinweisen.