Αποφοίτησε πρώτη από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Πατρών και ολοκλήρωσε τη διδακτορική διατριβή στον τομέα της μεταμόσχευσης αιμοποιητικών κυττάρων, λαμβάνοντας υποτροφίες για την έρευνά της. Πρόσφατα ανακηρύχθηκε ως η καλύτερη γυναίκα επιστήμονας στην Ολλανδία στον διαγωνισμό του επιστημονικού περιοδικού VIVA με τίτλο «Έξυπνα Κεφάλια». Η Μαρία Θέμελη κατάφερε να εξηγήσει την χρήση των πολυδύναμων βλαστικών κυττάρων ως πηγή για τη δημιουργία κυττάρων CAR-T με αντικαρκινική δράση, μία μέθοδο αποτελεσματική που έχει κατοχυρωθεί και με πατέντα.
Στην πραγματικότητα, αυτό που κατάφερε ήταν να αναπτύξει μία νέα και τελείως διαφορετική μέθοδο, προκαλώντας παραγωγή λεμφοκυττάρων για την καταπολέμηση του καρκίνου, χρησιμοποιώντας ως πηγή πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα.
Η Μαρία Θέμελη μετακόμισε για μεταδιδακτορική εκπαίδευση στο Κέντρο Καρκίνου Memorial Sloan Kettering στη Νέα Υόρκη για να εργαστεί στο εργαστήριο του Dr. Michel Sadelain. Στο εργαστήριο εκπαιδεύτηκε σε βάθος στο σχεδιασμό, την ανάπτυξη, την κατασκευή και τις κλινικές εφαρμογές της ανοσοθεραπειας με λεμφοκύτταρα, τα λεγομένα κυττάρων CAR-T.
Στο τμήμα αιματολογίας του VUmc Cancer Center στο Αμστερνταμ (VUmc Amsterdam)
Η δουλειά της οδήγησε σε ανακαλύψεις υψηλού αντίκτυπου στον τομέα της ανοσοθεραπείας, καθώς περιέγραψε για πρώτη φορά τη χρήση των πολυδύναμων βλαστικών κυττάρων ως πηγή για τη δημιουργία στο εργαστήριο κυττάρων CAR-T με αντικαρκινική δράση. Η μέθοδος αυτή έχει κατοχυρωθεί με πατέντα.
Για την έρευνα της έχει λάβει πολλές διακρίσεις όπως η υποτροφία Druckenmiller από το New York Stem Cell Foundation Το 2015 πήρε την υποτροφία Marie Curie από την Ευρωπαϊκή Ένωση και επέστρεψε στην Ευρώπη, στο τμήμα αιματολογίας στο VUmc Cancer Center του Άμστερνταμ, όπου πήρε πρόσφατα θέση επίκουρου καθηγητή. Στο VUmc η ομάδα της έχει αναπτύξει και αξιολογήσει τη χρήση των CAR-T για τη θεραπεία του πολλαπλού μυελώματος. Συνεχίζει επίσης να βελτιώνει τη χρήση των πολυδύναμων κυττάρων ως απεριόριστη πηγή θεραπευτικών κυττάρων CAR-T με στόχο την ευρύτερη εφαρμογή, προσβασιμότητα σε ασθενείς και αποτελεσματικότητα της μεθόδου.
«Τελείωσα το Πανεπιστήμιο στην Ελλάδα, δεν πλήρωσα για την εκπαίδευσή μου κι αυτό το οφείλω στον έλληνα φορολογούμενο. Βλέπω όμως ότι με τα καλά του και τα άσχημα, αυτό το εκπαιδευτικό σύστημα έχει τη δυνατότητα να εξάγει καταρτισμένους ανθρώπους και μπορούμε να αποφύγουμε την εξαγωγή των μυαλών μας, διότι ο λόγος που φεύγουν είναι πως δεν υπάρχει μέλλον μετά την εκπαίδευσή τους, και στην έρευνα και στο να ζήσουν αυτοί οι άνθρωποι», σχολιάζει με πικρία η ίδια.