Ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste (hPSC) stanowią platformę do naśladowania normalnego różnicowania w skalowalny sposób do modelowania chorób, badań przesiewowych leków i terapii zastępczych 1-6. Szczególnie interesujące jest to, że hPSC otwierają możliwości badania trudnych do wyizolowania lub rzadkich/przejściowych typów komórek, w których próbki od pacjentów są rzadkie. Co więcej, indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) umożliwiają naukowcom badanie rozwoju i modelowania choroby w sposób specyficzny dla pacjenta w celu rozwikłania unikalnych mechanizmów 1,2,7-11. Opublikowany wcześniej protokół różnicowania melanocytów z hPSC wymaga do 6 tygodni różnicowania i polega na hodowli komórek z kondycjonowaną pożywką z komórek L-Wnt3a 12. Protokół, po raz pierwszy zaprezentowany przez Mica i wsp. i opisany tutaj, wytwarza komórki barwnikowe w ciągu trzech tygodni i usuwa niejasności i niespójności związane z kondycjonowaną pożywką.
Melanocyty pochodzą z grzebienia nerwowego, migrującej populacji komórek unikalnej dla kręgowców. Grzebień nerwowy jest definiowany podczas gastrulacji i reprezentuje populację komórek na krawędzi płytki nerwowej, graniczącej między ektodermą nerwową i nieneuronalną. Podczas neurulacji tkanka nerwowa ewoluuje z płytki nerwowej, tworząc fałdy nerwowe, które zbiegają się w grzbietowej linii środkowej, tworząc cewę nerwową 13,14.
Komórki grzebienia nerwowego wyłaniają się z płyty dachowej cewy nerwowej, naprzeciwko struny grzbietowej, i przechodzą przejście z nabłonka do mezenchymalnego, zanim odejdą, dając początek zróżnicowanej populacji zróżnicowanych komórek. Losy komórek grzebienia są częściowo określone przez anatomiczne położenie płytki dachowej wzdłuż osi ciała zarodka. Pochodne komórek grzebienia nerwowego obejmują linie charakterystyczne zarówno dla mezodermy (komórki mięśni gładkich, osteoblastów, adipocytów, chondrocytów), jak i komórek ektodermy (melanocyty, komórki Schwanna, neurony) 14. Komórki macierzyste grzebienia nerwowego regulują w górę czynnik transkrypcyjny SOX10 i mogą być izolowane przez sortowanie komórek aktywowane fluorescencją z przeciwciałami przeciwko p75 i HNK1.
Komórki grzebienia nerwowego, które stają się melanocytami, przechodzą przez etap melanoblastu i zwiększają poziom KIT i MITF (czynnik transkrypcyjny związany z mikroftalmią) 6,21 MITF jest głównym regulatorem rozwoju melanocytów i jest czynnikiem transkrypcyjnym odpowiedzialnym za kontrolowanie rozwoju melanocytów 22-24. Ludzkie melanoblasty migrują do warstwy podstawnej naskórka, gdzie znajdują się albo w wybrzuszeniu włosa, albo otoczone keratynocytami w naskórku (tworząc jednostki pigmentacyjne), aby służyć jako prekursory dojrzałych, pigmentowanych melanocytów. Różnicowanie i dojrzewanie melanoblastów do melanocytów barwnikowych następuje wraz z kolonizacją cebulki włosa i ekspresją szlaku produkcji melaniny (TYRP1, TYR, OCA2 i PMEL) 25,26.
Izolowanie ludzkich melanocytów i melanoblastów od pacjentów jest kosztowne, trudne i ograniczające pod względem ilości. Protokół ten umożliwia naukowcom różnicowanie hPSC (indukowanych lub embrionalnych) w melanocyty lub prekursory melanocytów w dobrze zdefiniowaną, szybką, powtarzalną, skalowalną i niedrogą metodę bez sortowania komórek. Protokół był wcześniej stosowany do identyfikacji wad specyficznych dla choroby podczas różnicowania iPSC od pacjentów z zaburzeniami pigmentacji.