Historicamente, as transfusões de sangue foram o primeiro tipo de terapia celular. O transplante de medula óssea também se tornou um protocolo bem estabelecido. O transplante de medula óssea é o tratamento de escolha para muitos tipos de doenças do sangue, incluindo anemias, leucemias, linfomas e doenças raras de imunodeficiência. A chave para o sucesso do transplante de medula óssea é a identificação de um bom doador “compatível imunologicamente”, que geralmente é um parente próximo, como um irmão. Depois de encontrar uma boa correspondência entre as células do doador e do receptor, as células da medula óssea do paciente (receptor) são destruídas pela quimioterapia ou radiação para fornecer espaço na medula óssea para as novas células residirem. Depois que as células da medula óssea do doador compatível são infundidas, as células-tronco auto-renováveis chegam à medula óssea e começam a se replicar. Eles também começam a produzir células que amadurecem em vários tipos de células sanguíneas. Números normais de células sanguíneas derivadas de doadores geralmente aparecem na circulação do paciente dentro de algumas semanas. Infelizmente, nem todos os pacientes têm um bom doador imunologicamente compatível. Além disso, os enxertos de medula óssea podem não conseguir repovoar completamente a medula óssea em até um terço dos pacientes, e a destruição da medula óssea do hospedeiro pode ser letal, particularmente em pacientes muito doentes. Estes requisitos e riscos restringem a utilidade do transplante de medula óssea a alguns pacientes. A terapia celular está expandindo seu repertório de tipos de células para administração.
As estratégias de tratamento com terapia celular incluem isolamento e transferência de populações específicas de células-tronco, administração de células efetoras, indução de células maduras para se tornarem células pluripotentes e reprogramação de células maduras. A administração de um grande número de células efetoras beneficiou pacientes com câncer, pacientes transplantados com infecções não resolvidas e pacientes com células-tronco quimicamente destruídas no olho. Por exemplo, alguns pacientes transplantados não conseguem resolver infecções por adenovírus e citomegalovírus. Um estudo recente de fase I administrou um grande número de células T que poderiam matar células infectadas por vírus nesses pacientes. Muitos destes pacientes resolveram as suas infecções e mantiveram a imunidade contra estes vírus. Como segundo exemplo, a exposição química pode danificar ou causar atrofia das células-tronco epiteliais límbicas do olho. Sua morte causa dor, sensibilidade à luz e visão turva. O transplante de células-tronco epiteliais do limbo para tratamento dessa deficiência é a primeira terapia celular para doenças oculares na prática clínica.
Diversas doenças se beneficiam mais de tratamentos que combinam as tecnologias de terapia genética e celular. Por exemplo, alguns pacientes têm uma doença de imunodeficiência combinada grave (SCID), mas infelizmente não têm um doador adequado de medula óssea. Os cientistas identificaram que os pacientes com SCID são deficientes no gene da adenosina desaminase (ADA-SCID), ou na cadeia gama comum localizada no cromossomo X (SCID ligada ao X). Várias dezenas de pacientes foram tratados com uma abordagem combinada de terapia genética e celular. As células-tronco hematopoiéticas de cada indivíduo foram tratadas com um vetor viral que expressava uma cópia do gene normal relevante. Após seleção e expansão, essas células-tronco corrigidas foram devolvidas aos pacientes. Muitos pacientes melhoraram e necessitaram de menos enzimas exógenas. Contudo, ocorreram alguns acontecimentos adversos graves e a sua incidência está a levar ao desenvolvimento de vectores e protocolos teoricamente mais seguros. A abordagem combinada também é adotada em diversas terapias contra o câncer.