Diferencijacija matičnih stanica je proces u kojem se nespecijalizirana matična stanica razvija u određenu vrstu tkiva, poput zrelih crvenih krvnih stanica. To se događa u svim fazama života, od vrlo ranog embrionalnog razvoja do odrasle dobi, jer tijelo treba stalnu opskrbu novim specijaliziranim stanicama za funkcioniranje. Nekoliko čimbenika je uključeno u staničnu diferencijaciju, uključujući okolišne i biološke okidače za različite tipove stanica.
Broj različitih vrsta stanica u koje matična stanica može sazrijeti odražava se njezinom snagom. Totipotentna stanica može se razviti u bilo koju vrstu stanice u zrelosti. Takve se stanice nalaze u ranim fazama blastocista embrionalnog razvoja, kada svaka stanica mora biti sposobna proizvesti različite stanice kako bi se embrij mogao razviti. Kako embrionalni razvoj napreduje, matične stanice postaju pluripotentne prirode, sa sposobnošću divergiranja u različite tipove stanica, ali ne u sve.
Multipotentne matične stanice mogu se diferencirati u nekoliko srodnih tipova stanica. Na primjer, hematopoetske stanice koje stvaraju različite vrste krvnih stanica mogu proći kroz diferencijaciju matičnih stanica kako bi se pretvorile u bijele ili crvene krvne stanice. Oni se, međutim, ne mogu pretvoriti u želučanu sluznicu ili neurone. Multipotentne stanice ove prirode obično se nalaze u odraslim organizmima za opskrbu stalnim svježim stanicama za zamjenu istrošenih i oštećenih starijih stanica.
U diferencijaciji matičnih stanica, matična stanica prima signal za početak sazrijevanja. Stanica može proći kroz nekoliko životnih faza prije nego što postane zrela stanica. U bilo kojoj fazi može doći do pogreške, a stanica može postati deformisana ili može razviti druge probleme. Imunološki sustav i dalje pazi na takve stanice kako bi mogao intervenirati kako bi ih uništio i reciklirao njihove komponente prije nego što imaju priliku da se u potpunosti razviju i izazovu probleme. Tijelo stalno treba novu krv i stanice kože, između ostalog, i oslanja se na diferencijaciju matičnih stanica kako bi zadovoljilo tu potrebu.
Znanstveni istraživači imaju poseban interes za diferencijaciju embrionalnih matičnih stanica zbog njihovih totipotentnih i pluripotentnih svojstava. Proučavaju razvoj embrija kako bi saznali više o tome kako stanice sazrijevaju i redoslijedu u kojem se različite strukture pojavljuju dok se embrij razvija. To može pružiti važne informacije o urođenim manama, kao i o biološkoj povijesti organizma. Mnogi organizmi pokazuju paralelni embrionalni razvoj do određene faze, kada počinju izgledati radikalno različito, baš kao potpuno zreli primjerci različitih vrsta. Te sličnosti u razvoju mogu nagovijestiti evolucijsku povijest različitih organizama.