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干细胞是不同器官内持续组织维持所必需的，干细胞活动通常在外部由微环境（生态位）决定，因此干细胞输出精确地成形以满足稳态需要或再生需求。已经证明几种关键的信号传导途径在这种监管能力中发挥着重要作用。具体而言，JAK/STAT，Hedgehog，Wnt，Notch，Smad，PI3K/磷酸酶和张力蛋白同源物以及 NK-κB 信号传导途径都已通过实验证明可介导各种干细胞特性，如自我更新，细胞命运决定，生存，增殖和分化。
最近的研究主要集中在诱导多能干细胞、癌症干细胞、神经干细胞和维持胚胎干细胞多能性。其中诱导多能干细胞 (iPSCs) 具有分化成各种类型细胞的能力，以及自我更新资源，科学家可以试验无限数量的多能细胞来完善靶向分化，移植等过程，个性化医疗。已经阐明了新的病理学机制，来自 iPSC 筛选的新药物正在开发中，并且已经开始使用人类iPSC 衍生产品的第一次临床试验。
癌症干细胞（CSCs），也被称为肿瘤起始细胞，是恶性肿瘤细胞的一个小亚群，具有增强的自我更新、转移扩散和治疗耐药能力，首次被发现是在急性髓系白血病(AML)中，之后，假定的癌症干细胞也从其它血液恶性肿瘤和多种类型的实体瘤中被分离出来，在肿瘤的发生、复发和转移中起着重要的作用。癌症干细胞 (CSC) 是肿瘤起始，生长和复发的原因。已经开发了许多试剂以通过抑制多能性维持因子 Nanog，Oct-4，Sox-2 和 c-Myc 的表达以及GLI的转录来特异性靶向 CSC。目前，癌症干细胞起源于哪种细胞尚不清楚，一种假设是，癌症干细胞起源于分化程度更高的非干细胞，在转化后，主要是上皮-间质转化 (EMT：指上皮细胞在特定生理或病理情况下向间质细胞表型转变的过程)后获得干细胞样特性；另一种假设是，癌症干细胞起源于非恶性干细胞，致瘤体细胞突变诱导了这些非恶性干细胞转化为癌症干细胞。此外，有研究显示，炎症，尤其是炎性细胞因子(如干扰素、肿瘤坏死因子、IL-6和IL-17) 可能在诱导癌症干细胞状态中发挥了作用。
目前，分离和鉴定癌症干细胞依然是一个挑战，因为肿瘤中包含了各种各样的细胞群，而癌症干细胞只占了一小部分（在实体瘤中通常小于1%）。此外，尽管 CD133、CD44 等细胞表面标志物、上皮细胞粘附分子以及醛脱氢酶酶活性已经在鉴定癌症干细胞中体现出了价值，但区分非癌症干细胞和真正的癌症干细胞依然困难，因为这些标志物并不是癌症干细胞所独有的，且并非所有肿瘤中的癌症干细胞都会表达这些典型的标志物。在临床相关性方面，研究已证实，癌症干细胞对化疗和放疗具有天然的耐药性。此外，抑制治疗或微环境诱导的分化的癌细胞（即非癌症干细胞）向癌症干细胞的表型转化被认为是根除肿瘤的关键挑战。目前，Notch、WNT、Hedgehog(HH) 和 Hippo 通路是抗癌症干细胞疗法的主要靶点。
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