Historiquement, les transfusions sanguines ont été le premier type de thérapie cellulaire. La greffe de moelle osseuse est également devenue un protocole bien établi. La greffe de moelle osseuse est le traitement de choix pour de nombreux types de troubles sanguins, notamment les anémies, les leucémies, les lymphomes et les maladies rares d'immunodéficience. La clé du succès d'une transplantation de moelle osseuse est l'identification d'un bon donneur « immunologiquement compatible », qui est généralement un parent proche, tel qu'un frère ou une sœur. Après avoir trouvé une bonne correspondance entre les cellules du donneur et du receveur, les cellules de la moelle osseuse du patient (receveur) sont détruites par chimiothérapie ou radiothérapie pour laisser de la place dans la moelle osseuse aux nouvelles cellules. Une fois les cellules de moelle osseuse du donneur compatible perfusées, les cellules souches auto-renouvelées se dirigent vers la moelle osseuse et commencent à se répliquer. Ils commencent également à produire des cellules qui se transforment en différents types de cellules sanguines. Un nombre normal de cellules sanguines dérivées d'un donneur apparaît généralement dans la circulation du patient en quelques semaines. Malheureusement, tous les patients ne disposent pas d’un bon donneur immunologique compatible. En outre, les greffes de moelle osseuse peuvent ne pas parvenir à repeupler complètement la moelle osseuse chez un tiers des patients, et la destruction de la moelle osseuse de l'hôte peut être mortelle, en particulier chez les patients très malades. Ces exigences et risques limitent l’utilité de la greffe de moelle osseuse à certains patients. La thérapie cellulaire élargit son répertoire de types de cellules à administrer.
Les stratégies de traitement par thérapie cellulaire comprennent l'isolement et le transfert de populations de cellules souches spécifiques, l'administration de cellules effectrices, l'induction de cellules matures pour devenir des cellules pluripotentes et la reprogrammation des cellules matures. L’administration d’un grand nombre de cellules effectrices a bénéficié aux patients atteints de cancer, aux patients transplantés présentant des infections non résolues et aux patients dont les cellules souches oculaires étaient chimiquement détruites. Par exemple, quelques patients transplantés ne parviennent pas à résoudre les infections à adénovirus et à cytomégalovirus. Un récent essai de phase I a administré à ces patients un grand nombre de lymphocytes T capables de tuer les cellules infectées par un virus. Beaucoup de ces patients ont résolu leurs infections et conservé leur immunité contre ces virus. Comme deuxième exemple, l’exposition à des produits chimiques peut endommager ou provoquer une atrophie des cellules souches épithéliales limbiques de l’œil. Leur mort provoque des douleurs, une sensibilité à la lumière et une vision trouble. La transplantation de cellules souches épithéliales limbiques pour le traitement de cette déficience est la première thérapie cellulaire pour les maladies oculaires en pratique clinique.
Plusieurs maladies bénéficient davantage de traitements combinant les technologies de la thérapie génique et cellulaire. Par exemple, certains patients souffrent d’une maladie d’immunodéficience combinée sévère (SCID) mais n’ont malheureusement pas de donneur de moelle osseuse approprié. Les scientifiques ont identifié que les patients atteints de SCID sont déficients en gène de l'adénosine désaminase (ADA-SCID) ou en chaîne gamma commune située sur le chromosome X (SCID lié à l'X). Plusieurs dizaines de patients ont été traités par une approche combinée de thérapie génique et cellulaire. Les cellules souches hématopoïétiques de chaque individu ont été traitées avec un vecteur viral exprimant une copie du gène normal concerné. Après sélection et expansion, ces cellules souches corrigées ont été restituées aux patients. De nombreux patients se sont améliorés et ont eu besoin de moins d'enzymes exogènes. Cependant, certains événements indésirables graves se sont produits et leur incidence incite au développement de vecteurs et de protocoles théoriquement plus sûrs. L’approche combinée est également poursuivie dans plusieurs thérapies contre le cancer.