幹細胞ニッチ

幹細胞ニッチとは、幹細胞が存在する特定の解剖学的位置内の微小環境を指し、幹細胞と相互作用して細胞の運命を制御します。 ^{[1] 「ニッチ」という言葉は、}生体内または生体外の幹細胞微小環境を指す場合があります。胚発生中、さまざまなニッチ因子が胚性幹細胞に作用して遺伝子発現を変化させ、胎児の発達のために増殖または分化を誘導します。人体内では、幹細胞ニッチが成体幹細胞を静止状態に維持しますが、組織損傷後、周囲の微小環境が幹細胞に積極的に信号を送り、自己複製または分化を促進して新しい組織を形成します。ニッチ内の幹細胞の特性を制御するために重要な要因はいくつかあり、幹細胞間の細胞間相互作用、幹細胞と隣接する分化細胞との相互作用、幹細胞と接着分子との相互作用、細胞外マトリックス成分、酸素圧、成長因子、サイトカイン、pH、イオン強度（ Ca 2+濃度など）、ATPなどの代謝物を含む環境の物理化学的性質も重要です。^[2]幹細胞とニッチは発達中に相互に誘導し、成体になると相互にシグナルを送って維持します。

科学者たちはニッチのさまざまな構成要素を研究し、生体内のニッチ条件を試験管内で再現しようとしています。^[2]これは、再生療法では、治療のために患者に戻す前に適切な細胞タイプが十分な量生成されるように、フラスコやプレート内で細胞の増殖と分化を制御する必要があるためです。

ヒト胚性幹細胞は、線維性成長因子 2 を含むウシ胎児血清添加培地で培養されることが多い。胚性幹細胞はフィーダー細胞層で培養され、胚性幹細胞の多能性特性の維持に効果があると考えられている。しかし、これらの条件でも生体内のニッチ条件を真に模倣できるわけではない。

成体幹細胞は成人期を通じて未分化状態のままである。しかし、体外で培養すると、形態が変化し、増殖能力が低下する「老化」過程を経ることが多い。成体幹細胞が長期間にわたって幹細胞性を維持できるようにするには、成体幹細胞の正しい培養条件を改善する必要があると考えられている。^[要出典]

Nature Insight のレビューでは、ニッチを次のように定義しています。

「幹細胞集団は「ニッチ」と呼ばれる特定の解剖学的位置に定着し、組織の生成、維持、修復にどのように関与するかを制御します。ニッチは幹細胞を枯渇から守り、過剰な幹細胞増殖から宿主を保護します。ニッチは組織生理学の基本単位を構成し、生物のニーズに対する幹細胞のバランスの取れた反応を仲介する信号を統合します。しかし、ニッチは幹細胞やその他の標的に異常な機能を課すことで病理を誘発することもあります。幹細胞とニッチの相互作用により、組織を維持し、幹細胞治療薬を最終的に設計するために必要な動的システムが生まれます...幹細胞の単純な位置だけではニッチを定義するのに十分ではありません。ニッチは解剖学的次元と機能的次元の両方を備えている必要があります。」^[3]

幹細胞ニッチの概念は脊椎動物では普及していましたが、生体内での幹細胞ニッチの最初の特徴付けはショウジョウバエの胚発生において解明されました。^[要出典]

マウスの生体内イメージングを継続的に行うことで、研究者は幹細胞ニッチの構造を研究し、個々の幹細胞 (SC) とその子孫の運命を生体内で経時的に把握することができました。特に腸陰窩では^[4] 、 2 つの異なる SC グループが特定されています。「境界幹細胞」はニッチの上部の通過増幅細胞 (TA) との境界に位置し、 「中心幹細胞」は陰窩の底に位置します。2 つのグループの増殖能力は不均等で、細胞の位置 (中心または境界) と相関していました。また、2 つの SC 区画が一致して機能し、一定の細胞集団と安定した細胞ターンオーバーを維持することも示されました。同様に、自己再生能力がニッチ境界への近さに依存することは、生体内ライブイメージング研究で毛包に関して報告されています。^[5]

この幹細胞ニッチの二区画構造は、ダブルヒット変異体の生成を最大限遅らせる最適な構造を得るために数学的にモデル化されている。^[6]彼らは、二区画幹細胞構造は、単一幹細胞コンパートメントモデルと比較して、ツーヒット変異体の生成率を最小限に抑えることを発見した。さらに、ダブルヒット変異体生成の最小確率は、幹細胞の純粋に対称的な分裂に対応し、境界幹細胞の大きな増殖率と、中心幹細胞の小さいがゼロではない増殖率を伴う。^[要出典]

腸腺の基部にあるような、継続的に分裂する細胞を抱える幹細胞ニッチは、小さな集団サイズで維持されています。これは、多細胞組織の維持に対する課題を提示します。なぜなら、無性分裂する個体の小さな集団は、遺伝的浮動によって有害な突然変異を蓄積し、突然変異のメルトダウンに屈するからです。^[7]腸腺の数学的モデリングにより、幹細胞ニッチ内の小さな集団サイズは、組織の劣化と老化に寄与するプロセスである、生物の生涯を通じて徐々に蓄積される有害な突然変異を犠牲にして、どこででも発癌が発生する確率を最小限に抑えることが明らかになりました。^[8]したがって、幹細胞ニッチの集団サイズは、癌形成の確率と老化速度との間の進化的トレードオフを表しています。

生殖系列幹細胞 (GSC) は、精子と卵子を不妊になるまで継続的に生産する生物に見られます。これらの特殊な幹細胞は、配偶子生産の最初の場所である GSC ニッチに存在し、GSC、体性幹細胞、およびその他の体細胞で構成されています。特に、GSC ニッチは遺伝モデル生物であるDrosophila melanogasterでよく研究されており、幹細胞制御の分子基盤に関する広範な理解をもたらしています。^{[引用が必要]}

キイロショウジョウバエでは、GSCニッチは各卵巣小管の最も前方の領域、すなわち生殖巣に存在します。GSCニッチは、末端フィラメント細胞、キャップ細胞、エスコート細胞、およびGSCを維持するために機能するその他の幹細胞など、必要な体細胞で構成されています。^[9] GSCニッチには平均2～3個のGSCが保持され、これらは体細胞のキャップ細胞とエスコート幹細胞に直接付着し、維持シグナルがGSCに直接送信されます。^[10] GSCは、 vasaタンパク質（生殖細胞を識別するため）および1B1タンパク質（細胞構造と生殖細胞特異的なフソーム構造の概要を示すため）に対する組織学的染色によって簡単に識別できます。キャップ細胞への物理的な付着は、GSCの維持と活動に不可欠です。^[10] GSCは非対称に分裂して1つの娘嚢胞芽細胞を生成し、その後、卵巣小管を進むにつれて4回の不完全な有糸分裂を経て（卵形成のプロセスを経て）、最終的に成熟した卵室として出現します。GSCに含まれるフソームは嚢胞形成に機能し、GSCの非対称細胞分裂を制御している可能性があります。^[11]ショウジョウバエ には豊富な遺伝子ツールが用意されており、組織学的染色によってGSCを検出するのが容易なため、研究者はGSCの維持と活性を制御するいくつかの分子経路を発見しました。^{[12] [13]}

骨形成タンパク質（BMP）リガンドであるデカペンタプレジック（Dpp）およびグラスボトムボート（Gbb）リガンドは、GSCに直接シグナル伝達され、GSCの維持および自己複製に不可欠です。^[14] ニッチにおけるBMPシグナル伝達は、GSCにおけるバッグ・オブ・マーブルズ（Bam）の発現を直接抑制するように機能し、これは発達中の嚢胞芽細胞で上方制御されます。^{[15]ニッチにおける}dpp の機能が失われると、 GSCにおけるBamの抑制が解除され、GSCの急速な分化がもたらされます。^[10] BMPシグナル伝達とともに、キャップ細胞は、YbおよびPiwiという他の分子もGSCにシグナル伝達します。これらの分子は両方とも、GSCの増殖に非自律的に必要であり、piwiもGSCの増殖に自律的に必要です。^[16] 胚腺では、BMPシグナル伝達は短距離効果を有するため、GSCのキャップ細胞への物理的な付着は維持と活動にとって重要である。^[要出典]

GSC はショウジョウバエ E-カドヘリン（DE-カドヘリン）接着結合によってキャップ細胞に物理的に付着しており、この物理的付着が失われると GSC は分化し、幹細胞としてのアイデンティティを失います。 ^[10] DE-カドヘリンをコードする遺伝子shotgun ( shg ) とベータカテニン相同遺伝子armadilloがこの物理的付着を制御します。^[17] GTPase 分子 rab11 は DE-カドヘリンの細胞輸送に関与しています。GSCでrab11 をノックアウトすると、GSC がキャップ細胞から剥離し、GSC が未熟に分化します。^[18] さらに、生殖細胞特異的ギャップ結合をコードするゼロ集団成長( zpg ) は生殖細胞の分化に必要です。^[19]

ショウジョウバエでは、食事とインスリン様シグナル伝達の両方がGSCの増殖を直接制御しています。食事を通じてショウジョウバエのインスリン様ペプチド（DILP）のレベルが上昇すると、GSCの増殖が増加します。^[20] 老化したGSCとそのニッチにおけるDILPの上方制御は、維持と増殖の増加をもたらします。^[21] また、DILPはキャップ細胞の量を調節し、キャップ細胞へのGSCの物理的付着を調節することも示されています。^[21]

幹細胞の再生には、対称的なGSC分裂と嚢胞芽細胞の脱分化という2つのメカニズムが考えられます。通常、GSCは非対称に分裂して1つの娘嚢胞芽細胞を生成しますが、対称分裂では2つの娘細胞がGSCのままになる可能性があると提案されています。^{[22] [23]} GSCが除去されて空のニッチが作成され、キャップ細胞がまだ存在して維持シグナルを送信している場合、分化した嚢胞芽細胞がニッチにリクルートされ、機能的なGSCに脱分化することができます。^[24]

ショウジョウバエのメスが老化するにつれ、幹細胞ニッチにおけるGSCの存在と活性は加齢に応じて低下する。これらの低下は、GSCとその活性を維持するニッチからの重要なシグナル伝達因子の劣化が部分的に原因であると考えられている。GSC活性の進行性の低下は、老齢期のショウジョウバエの繁殖力の低下に寄与しており、このGSC活性の低下は、GSCニッチにおけるシグナル伝達経路の活性低下に部分的に起因している可能性がある。 ^{[25] [26]} 加齢によりDppおよびGbbシグナル伝達が減少することがわかっている。ニッチシグナル伝達経路の活性低下に加えて、GSCは細胞自律的に老化する。ニッチからのシグナルの低下を研究することに加えて、GSCは本質的に老化する。キャップ細胞へのGSCの接着は加齢に応じて低下し、活性酸素種（ROS）が蓄積して細胞損傷を引き起こし、GSCの老化に寄与する。加齢とともにキャップ細胞の数とキャップ細胞へのGSCの物理的付着が減少することが観察されている。Shg は若いGSCニッチと比較して、古いGSCニッチで著しく低いレベルで発現している。^[26]

キイロショウジョウバエの雄はそれぞれ 2 つの精巣（長く管状のコイル状の構造）を持ち、それぞれの最先端に GSC ニッチがあります。精巣 GSC ニッチは、非有糸分裂ハブ細胞（別名ニッチ細胞）の集団を中心に構築されており、このニッチには 2 つの幹細胞集団、すなわち GSC と体性幹細胞（別名 SSC、体性嚢胞幹細胞/嚢胞幹細胞）が付着しています。各 GSC は 1 組の SSC に囲まれていますが、各幹細胞タイプはハブ細胞と接触しています。このように、幹細胞ニッチはこれら 3 種類の細胞で構成されており、ハブ細胞が GSC と SSC の挙動を制御するだけでなく、幹細胞も互いの活動を制御します。キイロショウジョウバエの精巣 GSC ニッチは、さまざまな細胞プロセスとシグナル伝達経路を調べるための貴重なモデル システムであることが証明されています。^[27]

精子形成のプロセスは、GSC が非対称に分裂し、ハブとの接触を維持する GSC と、ニッチから出るゴニアルブラストを生成するときに始まります。SSC は GSC パートナーと分裂し、その非有糸分裂子孫である体性嚢胞細胞 (SCC、別名嚢胞細胞) がゴニアルブラストを囲みます。ゴニアルブラストはその後、不完全な細胞質分裂を伴う同期したトランジット増幅分裂を 4 回繰り返し、16 細胞の精原嚢胞を生成します。この精原嚢胞はその後分化して精母細胞に成長し、最終的には減数分裂を経て精子を生成します。^[27]

精巣GSCニッチにおける幹細胞の挙動を制御する2つの主要な分子シグナル伝達経路は、Jak-STATシグナル伝達経路とBMPシグナル伝達経路である。Jak-STATシグナル伝達はハブ細胞で発生し、リガンドUpdがGSCとSSCに分泌される。^{[28] [29]これにより、}ショウジョウバエのSTATであるStat92Eが活性化される。これはハブ細胞へのGSCの接着に影響を与える転写因子である。 ^[30]およびZfh-1を介したSSCの自己複製。^[31] Jak-STATシグナル伝達は、リガンドDppおよびGbbを介してBMPシグナル伝達の活性化にも影響を与える。これらのリガンドはSSCおよびハブ細胞からGSCに分泌され、BMPシグナル伝達を活性化し、分化因子であるBamの発現を抑制する。^[32] ニッチの外では、ゴニアルブラストはBMPリガンドを受け取らなくなり、自由に分化プログラムを開始できる。その他の重要なシグナル伝達経路にはMAPKとヘッジホッグがあり、それぞれ生殖細胞の囲い込み^[33]と体細胞の自己複製^[34]を制御します。

雄のマウスのGSCニッチは精原幹細胞（SSC）ニッチとも呼ばれ、精巣の精細管の基底部に位置しています。精細管上皮は、セルトリ細胞で構成されており、セルトリ細胞は管の基底膜と接触しており、セルトリ細胞を下の間質組織から分離しています。この間質組織は、ライディッヒ細胞、マクロファージ、間葉系細胞、毛細血管網、神経で構成されています。^[35]

発生の過程で、始原生殖細胞は精細管に移動し、基底膜に向かって下方に移動しながらセルトリ細胞に付着したまま、その後SSC（A単精原細胞とも呼ばれる）に分化します。^{[35] [36]}これらのSSCは自己複製することも、A単精原細胞がA対精原細胞に増殖して精子に分化することもできます。A対精原細胞の2つの細胞は細胞間ブリッジで付着したまま、その後4～16個の接続した細胞で構成されるA整列精原細胞に分裂します。A整列精原細胞はその後、減数分裂Iで精母細胞を形成し、減数分裂IIで精子細胞を形成し、これが精子に成熟します。^{[37] [38]} この分化は、基底膜から精細管の頂端腔まで、セルトリ細胞の縦軸に沿って起こります。しかし、セルトリ細胞はタイトジャンクションを形成し、基底膜に接するSSCと精原細胞を精母細胞と精細胞から分離して基底部と副腔部の区画を形成し、分化中の精母細胞はタイトジャンクションを通過しなければならない。^{[35] [39]}これらのタイトジャンクションは血液精巣関門（BTB）を形成し、副腔部の分化細胞を基底部区画に隣接する間質組織と血管から分泌される因子から隔離する役割を果たしていると示唆されている。^[35]

精細管の基底膜は、フィブロネクチン、コラーゲン、ラミニンからなる細胞外マトリックスの改変型である。^[35] β1-インテグリンはSSCの表面に発現し、基底膜のラミニン成分への接着に関与しているが、他の接着分子もSSCの基底膜への付着に関与している可能性がある。^[40]ショウジョウバエとは異なり、マウスのSSC上のEカドヘリン発現は不要であることが示されている。これは、Eカドヘリンを欠く培養SSCを移植すると、宿主の精細管に定着して精子形成を行うことができるためである。^[41]さらに、血液精巣関門は構造的支持を提供し、精子形成中に動的発現を示すオクルディン、クローディン、ゾヌラオクルデン（ZO）などのタイトジャンクション構成要素から構成されている。^[42]例えば、クローディン11はタイトジャンクションの必須成分であることが示されており、この遺伝子を欠損したマウスは血液精巣関門に欠陥があり、成熟した精子を生成しない。^[40]

GDNF（グリア細胞由来神経栄養因子）はSSCの自己複製を刺激することが知られており、ゴナドトロピンFSHの影響下でセルトリ細胞から分泌されます。GDNFは成長因子のTGFβスーパーファミリーの関連メンバーであり、マウスで過剰発現すると、未分化精原細胞の増加が観察され、胚腫瘍の形成につながりました。^{[35] [40]}再生因子としての役割を裏付けるように、GDNFのヘテロ接合性ノックアウト雄マウスは精子形成の低下を示し、最終的には不妊症につながります。^[40]さらに、GDNFの補充は、培養中のマウスSSCの増殖を延長することが示されています。しかし、GDNF受容体c-RETと共受容体GFRa1はSSCだけでなくApairedとAalignedにも発現しており、GDNFはAsingle SSC集団に特異的なものではなく、AsingleからAalignedへの一般的な再生因子であることが示されています。セルトリ細胞から分泌されるFGF2（線維芽細胞増殖因子-2）も、GDNFと同様にSSCと未分化精原細胞の再生に影響を与えることが示されています。^[35]

セルトリ細胞は再生において重要な役割を果たしているように見えるが、ライディッヒ細胞によって分泌されるテストステロンの受容体を発現するのに対し、生殖細胞はこの受容体を持たない。このことから、上流のライディッヒ細胞が再生を媒介する上で重要な役割を果たしていることが示唆される。ライディッヒ細胞はまた、CSF 1（コロニー刺激因子-1）を産生し、SSCはその受容体CSF1Rを強く発現している。^[37] GDNFおよびFGF2とともに培養物にCSF 1を添加しても、増殖のさらなる増加は観察されなかったが、生殖細胞をCSF-1とともに培養する時間が長くなるほど、これらの生殖細胞を宿主の精細管に移植したときに観察されたSSC密度が高くなった。これは、CSF 1が、SSCおよび精原細胞の増殖に影響を与えるのではなく、分化よりも再生にSSCを傾ける特定の再生因子であることを示している。GDNF、FGF 2、およびCSF 1は、他の哺乳類組織の幹細胞の自己再生にも影響を与えることがわかっている。^[35]

Plzf（前骨髄球性白血病ジンクフィンガー）もSSCの自己複製の制御に関与しており、A単独、A対、A整列精原細胞で発現している。Plzfはこれらの初期精原細胞における受容体c-kitの転写を直接阻害する。しかし、後期精原細胞ではPlzfが欠如しているためc-kitの発現が可能となり、その後、セルトリ細胞から分泌されるリガンドSCF（幹細胞因子）によって活性化され、さらなる分化が進む。また、BMP4とアクチビンAを添加すると、培養中のSSCの自己複製が減少し、幹細胞の分化が促進されることが示されており、BMP4はc-kitの発現を増加させることが示された。^[37]

精子形成を長期化させるにはSSCの維持が必要だが、この維持能力は加齢とともに低下し、不妊につながる。12～14か月齢のマウスでは精巣重量の減少、精子形成およびSSC含有量の低下がみられる。幹細胞はin vitroでは無限に複製できると考えられているが、in vivoではニッチが提供する因子が極めて重要である。実際、異なる年齢の雄マウスのSSCを、内因性の精子形成を消失させた3か月齢の若いマウスに連続移植し、各幹細胞が精子形成コロニーを生成すると仮定して幹細胞含有量を推定した。^{[35] [43]}この実験の結果、移植されたSSCは、その年齢の複製寿命よりもはるかに長く維持できることが示された。さらに、ある研究では、若い生殖能力のあるマウスのSSCは、高齢の不妊マウスの精巣に移植しても維持も精子形成もできないことが示された。これらの結果を総合すると、SSCの内因性因子の喪失ではなく、加齢によるSSCニッチ自体の劣化が示唆される。^[43]

脊椎動物の骨髄における造血幹細胞ニッチは、骨髄内膜下骨芽細胞、類洞内皮細胞、および線維芽細胞、単球、脂肪細胞（骨髄脂肪組織を構成）の混合物を含む骨髄間質細胞（網状細胞とも呼ばれる）によって形成されます。^[1]

毛包幹細胞ニッチは、比較的アクセスしやすく、悪性黒色腫などの重要な疾患で役割を果たしていることから、最も綿密に研究されているニッチの1つです。立毛筋と毛包鞘の接合部にあるバルジ領域には、すべての上皮皮膚層に寄与する皮膚幹細胞が存在することが示されています。これらの細胞は、ニッチ細胞と協調したシグナル伝達によって維持されています。シグナルには、パラクリン（ソニックヘッジホッグなど）、オートクリン、およびジャクスタクリンシグナルが含まれます。^[44]毛包のバルジ領域は、細胞の幹細胞性を維持するためにこれらのシグナルに依存しています。運命マッピングまたは細胞系譜追跡により、ケラチン15陽性幹細胞の子孫はすべての上皮系譜に関与していることが示されています。^[45]毛包は周期的な再生を起こし、その中でこれらの幹細胞はさまざまな領域に移動して適切な上皮細胞タイプに分化します。毛包幹細胞ニッチにおける間葉系真皮乳頭またはバルジによって生成される重要なシグナルには、BMP、 TGF-β、線維芽細胞増殖因子（FGF）リガンド、Wnt阻害剤などがある。^[46] Wntシグナル伝達経路とβ-カテニンは幹細胞の維持に重要であるが、^{[47]毛包における}β-カテニンの過剰発現は不適切な毛の成長を誘発する。したがって、周囲の細胞によって生成されるWnt阻害剤などのシグナルは、幹細胞ニッチの維持と促進に重要である。^[48]

腸オルガノイドは腸幹細胞ニッチの研究に使用されています。腸オルガノイド培養は、オルガノイドの生存と成長を評価することで、操作が幹細胞に与える影響を間接的に評価するために使用できます。腸オルガノイドを使用した研究では、ニューロンと線維芽細胞の存在によって腸幹細胞の生存が改善されることが実証されています^[49]。また、 IL-22の投与によっても改善されることが実証されています^{[50] 。}

心臓血管幹細胞ニッチは、心臓の右室自由壁、心房、流出路内に存在しています。これらは、ColIV およびラミニン細胞外マトリックス (ECM) 内の個別のクラスターに局在する Isl1+/Flk1+ 心臓前駆細胞 (CPC) で構成されています。ColI およびフィブロネクチンは、主に心筋内の CPC クラスターの外側に存在します。免疫組織化学染色により、前駆細胞クラスターから離れてニッチを囲む ColI およびフィブロネクチン ECM に移動した分化中の CPC は、Isl1 をダウンレギュレーションし、トロポニン C などの成熟した心臓マーカーをアップレギュレーションすることが実証されています。^[51]現在、心血管系における Isl1+ 細胞の役割については議論があります。主要な出版物ではこれらの細胞がCPCであると特定され、マウスとヒトの心臓に非常に多く見つかっていますが、最近の出版物ではマウス胎児心臓にIsl1+細胞が非常に少なく、その局在は心臓ペースメーカーに寄与する領域として知られている洞房結節であるとされています^[52]。これらの細胞の役割とそのニッチは、現在、激しい研究と議論の的となっています。^[要出典]

神経幹細胞ニッチは、上衣下領域(SEZ) と顆粒下領域(SGZ) の 2 つに分かれています。

SEZ は上衣細胞層の下の薄い領域で、3 種類の神経幹細胞、すなわち、低頻度に分裂する神経幹細胞 (NSC)、急速に分裂するトランジット増幅前駆細胞 (TaP)、神経芽細胞 (NB) が含まれています。SEZ細胞外マトリックス( ECM ) は、周囲の組織と比較して組成が大きく異なります。最近、前駆細胞、NSC、TaP、NB がフラクトンと呼ばれる ECM 構造に付着していることが報告されました。^{[53]これらの構造は、ラミニン、コラーゲン、}ヘパラン硫酸プロテオグリカンが豊富です。^[54]テネイシン C、MMP、さまざまなプロテオグリカンなどの他の ECM 分子も、神経幹細胞ニッチに関与しています。^[55]

がん組織は、内皮細胞、線維芽細胞、さまざまな免疫細胞など、さまざまな細胞タイプが存在するだけでなく、がん細胞自体も均質な集団ではないため、形態的に不均一です。^[要出典]

腫瘍の階層モデルによれば、がん幹細胞（CSC）は、がん幹細胞ニッチと呼ばれる微小環境から発せられる生化学的および物理的な文脈的シグナルによって維持されている。^[56] CSCニッチは、機能（自己複製、未分化状態、分化能力の維持）およびシグナル伝達経路（アクチビン/Noda、Akt/PTEN、JAK/STAT、PI3-K、TGF-β、Wnt、BMP）において、正常な幹細胞ニッチ（胚性幹細胞（ESC）、成体幹細胞ASC）と非常に類似している。[ ^{57] CSCは微小環境の異常なシグナル伝達から発生し、CSCに生存シグナルを提供するだけでなく、}上皮間葉転換（EMT）を誘導して転移にも関与していると考えられている。 ^[要出典]

幹細胞ニッチ（ESC、ASC、CSC）の低酸素状態は、幹細胞を未分化状態に維持し、酸化によるDNA損傷を最小限に抑えるために必要です。低酸素状態の維持は、低酸素誘導性転写因子（HIF）によって制御されています。^[58] HIFは、VEGF、GLUT-1、ADAM-1、Oct4、Notchなどの標的遺伝子を調節することで、腫瘍の進行、細胞生存、転移に寄与します。^[57]

低酸素状態は、HIFの促進を通じて、がん幹細胞ニッチおよびEMTの制御に重要な役割を果たしている。^[59]これらのHIFは、Oct4、Nanog、SOX2、Klf4、cMycなどの重要な幹細胞遺伝子を制御することで、がん幹細胞ニッチの維持を助ける。^{[60] [61] HIFは、} p53などの重要な腫瘍抑制遺伝子や転移を促進する遺伝子も制御する。^{[62] [63] HIFは}酸化ストレスの影響を減らすことで細胞の生存率を高めるが、ゲノム安定性を維持するRAD51やH2AXなどの因子も減少させることがわかっている。 ^{[64]低酸素状態では、細胞内}活性酸素種（ROS）が増加し、これもストレス反応を介してCSCの生存を促進する。^{[65] [66]} ROSはHIF-1αを安定化させ、これがMetプロトオンコゲンを促進し、黒色腫細胞の転移または運動誘発性逃避を促進する。^[67]これらの因子はすべて癌幹細胞の表現型に寄与するため、低酸素性幹細胞ニッチと呼ばれることが多い。低酸素環境は、血管新生が起こるよりも細胞が速く分裂している腫瘍によく見られる。低酸素環境は放射線療法に抵抗性であることが示されているため、癌の側面として低酸素症を研究することは重要である。^{[68]放射線は}HIF-1の量を増加させることが示されている。^{[69] HIF-1αとROSの相互作用による低酸素症によるEMT誘導は、}黒色腫などの癌の転移に重要である。黒色腫に関連する多くの遺伝子は、MXI1、FN1、NME1など低酸素症によって制御されることがわかっている。^[70]

上皮間葉転換は形態形成プロセスであり、通常は胚発生時に発生し、がん幹細胞によって「乗っ取られ」、元の場所から分離して別の場所に移動します。播種後には、上皮間葉転換 (EMT) と呼ばれる逆の移行が起こります。このプロセスは、成長因子 ( TGF-β、PDGF 、EGF)、サイトカイン IL-8、細胞外マトリックス成分を使用して、胚発生と同じシグナル伝達経路を介して CSC の微小環境によって制御されます。β-カテニンなどの細胞内シグナル伝達物質を介したこれらの成長因子の相互作用は、転移の可能性を誘発することが示されています。^{[71] [72]} EMTの特徴は、上皮マーカー（E-カドヘリン、サイトケラチン、クローディン、閉塞、デスモグレイン、デスモコリン）の喪失と間葉系マーカー（N-カドヘリン、ビメンチン、フィブロネクチン）の増加である。^[73]

正常幹細胞のホーミング・動員と癌幹細胞の転移・浸潤にもある程度の類似性がある。主要な細胞外マトリックス分解酵素であるマトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）は重要な役割を果たしており、例えばマトリックスメタロプロテアーゼ-2および-9は、大腸癌の転移時に間質細胞によって直接接触または傍分泌調節を介して発現および分泌される。次に共通する分子は間質細胞由来因子-1（SDF-1）である。^{[73] [74]}

EMTと癌の進行は慢性炎症によっても引き起こされる可能性があります。主な役割は分子（IL-6、IL-8、TNF-α、NFκB、TGF-β、HIF-1α）にあり、EMTと炎症の間で重複する下流シグナル伝達の制御を通じて両方のプロセスを制御できます。^[57] CSCの制御に関与する下流経路は、Wnt、SHH、Notch、TGF-β、RTKs-EGF、FGF、IGF、HGFです。

NFκB は、Slug、Snail、Twist を介して CSC の EMT、移動、侵入を制御します。NFκB の活性化は、IL-6、TNF-α、SDF-1 の産生の増加だけでなく、成長因子の送達の増加にもつながります。

サイトカイン産生の源はリンパ球（TNF-α）、間葉系幹細胞（SDF-1、IL-6、IL8）です。

インターロイキン6はSTAT3の活性化を媒介する。肝臓がん、骨がん、子宮頸がん、脳がんから単離されたCSCではSTAT3のレベルが高いことが報告されている。STAT3を阻害すると、それらの形成が劇的に減少する。一般的にIL-6は局所幹細胞の生存率を高め、腫瘍形成を促進する。^[57]

間葉系幹細胞（MSC）から分泌されるSDF-1αは、骨髄ニッチにおける造血幹細胞（HSC）のホーミングと維持に重要な役割を果たすが、CSCのホーミングと播種にも重要な役割を果たしている。^[74]

低酸素症は血管新生の主な刺激因子であり、HIF-1αが主な媒介因子である。低酸素状態によって誘発される血管新生は「血管新生スイッチ」と呼ばれる。HIF-1は、血管内皮増殖因子（VEGF）、塩基性線維芽細胞増殖因子（bFGF）、胎盤様増殖因子（PLGF）、血小板由来増殖因子（PDGF）、表皮増殖因子など、いくつかの血管新生因子の発現を促進する。しかし、癌細胞による血管新生因子の発現はHIF-1に依存しない可能性があるという証拠がある。Rasタンパク質が重要な役割を果たしており、細胞内のカルシウム濃度が低酸素症に反応して血管新生遺伝子の発現を調節しているようだ。^[73]

血管新生スイッチは、トロンボスポンジン、アンジオスタチン、エンドスタチン、タムスタチンなどの血管新生抑制タンパク質をダウンレギュレーションします。血管新生は原発性腫瘍の成長に必要です。^[要出典]

損傷を受けると、サポート細胞は修復プログラムを活性化し、損傷部位の発達の側面を再現することができます。これらの領域は幹細胞の再生、移動、分化を許容するようになります。例えば、中枢神経系では、損傷によりアストロサイトの発生プログラムが活性化され、ケモカイン（SDF-1 ^[75]）やモルフォゲン（ソニックヘッジホッグ^{[76]）などの幹細胞をサポートする分子を発現できるようになります。}

ECM の組成、形状、地形、剛性、機械的強度などの生物生理化学的特性が幹細胞の挙動を制御できることは明らかです。これらの ECM 因子は、幹細胞を in vitro で培養する際にも同様に重要です。ニッチ細胞と幹細胞の相互作用と ECM と幹細胞の相互作用のどちらかを選択する場合、足場製造技術、処理パラメータ、または製造後の変更によって正確に制御できるため、ECM を模倣することが望ましいです。模倣するには、ECM の自然な特性と幹細胞の運命プロセスにおけるその役割を理解することが不可欠です。これらの ECM 特性を模倣して幹細胞の運命を制御するさまざまな種類の足場に関するさまざまな研究が行われています。^[2] )

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