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幹細胞的秘密家園：為什麼微環境如此重要？
幹細胞的秘密家園，或稱為幹細胞小環境，是指幹細胞所處的特定解剖位置的微環境。這個微環境與幹細胞之間存在著密切的相互作用，進而調控細胞的命運決定。無論是在體內還是體外，這種小環境都對於幹細胞的增殖和分化有著重要影響。特別是在胚胎發育期間，周圍的信號因子會改變幹細胞的基因表達，從而促進其增殖或導致其分化以支持胎兒的發育。
有研究指出，幹細胞小環境能夠在成人體內使成體幹細胞保持休眠狀態，但一旦組織受損，周圍的微環境會主動向幹細胞發送信號，以促進自我更新或分化形成新組織。
在維持這些幹細胞特性的眾多因素中，包括幹細胞之間的細胞相互作用、與周圍分化細胞的相互作用、與粘附分子的相互作用、細胞外基質成分、氧氣張力、增長因子、細胞因子及環境的物理化學特性（如 pH、離子濃度等）都有重要意義。
科學家們正在對這些小環境的各種組成進行研究，並試圖在體外重建這些 in vivo 的小環境條件。這對於再生醫學至關重要，因為幹細胞的增殖和分化需要在培養瓶或培養皿中進行控制，從而在回歸患者進行治療之前產生足夠數量和適當類型的細胞。
人類胚胎幹細胞通常在含有纖維母細胞生長因子-2及胎牛血清的培養基中生長，但即使在這些條件下，仍可能無法完全模擬體內小環境。
成人幹細胞在整個成年生活中保持未分化狀態。然而，當它們在體外培養時，經常會經歷一種“老化”過程，這會改變其形態並減少其增殖能力。因此，改進成人幹細胞的正確培養條件非常重要，以便其能夠隨時間持續維持其幹性。
幹細胞小環境的歷史
雖然幹細胞小環境的概念自古以來一直存在於脊椎動物中，但首個在體內表徵的幹細胞小環境則是在果蠅的生殖發育過程中被研究出來的。
幹細胞小環境的結構
通過在小鼠中的連續活體成像，研究人員能夠探索幹細胞小環境的結構並獲得個體幹細胞及其後代隨時間的命運。以腸道隱窩為例，研究人員識別了兩個不同的幹細胞群體：位於小環境上部與遷移增殖細胞（TAs）交界處的“邊界幹細胞”，以及位於隱窩基部的“中央幹細胞”。這兩組的增殖潛力不平等，並與其位置（中央或邊界）相對應。
這一特性同樣在毛囊的研究中獲得了顯示，這涉及到幹細胞小環境的生物分區結構。這種小環境的雙區結構經數學建模顯示，它能夠最大限度地延遲雙重突變體的產生，非常重要。
幹細胞的實際例子
生殖幹細胞小環境
生殖幹細胞（GSCs）存在於持續產生精子和卵子的生物體中。這些特殊的幹細胞位於GSC小環境中，這是產生配子的初始部位，包含GSCs、體細胞幹細胞及其他體細胞。
以果蠅為模型，研究揭示了幹細胞的分子調控機制，包括當前信號和局部信號如何影響GSC的維護與活性。
在果蠅雌性卵巢中，GSC小環境位於每個卵莖的最前端，稱為生殖腺，其中包含必要的體細胞，並直接附著於這些細胞上以進行信號傳遞。GSC的物理附著對維護和活性至關重要。
小鼠睪丸中的GSC小環境
小鼠的GSC小環境位於其睪丸的基部，這與精子的生成密切相關。精原幹細胞的自我更新或是分化成精子由多種分子信號進行調控。這些信號來源於支持細胞及其微環境。
分子研究揭示了調控自我更新的關鍵，包括神經源性生長因子等。這進一步強調了幹細胞和其環境之間的相互作用如何影響生物體的發育和健康。
幹細胞小環境的動態系統對於維持組織的完整性及其功能至關重要。同時，這些小環境的退化亦可導致相關疾病的出現。因此，我們不禁要思考，幹細胞微環境的最佳化是否將成為未來再生醫學的關鍵？
