Abstract Transplanted human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) improve ventricular performance when delivered acutely post-myocardial infarction but are ineffective in chronic myocardial infarction/heart failure. 2’-deoxy-ATP (dATP) activates cardiac myosin and potently increases contractility. Here we engineered hPSC-CMs to overexpress ribonucleotide reductase, the enzyme controlling dATP production. In vivo, dATP-producing CMs formed new myocardium that transferred dATP to host cardiomyocytes via gap junctions, increasing their dATP levels. Strikingly, when transplanted into chronically infarcted hearts, dATP-producing grafts increased left ventricular function, whereas heart failure worsened with wild-type grafts or vehicle injections. dATP-donor cells recipients had greater voluntary exercise, improved cardiac metabolism, reduced pulmonary congestion and pathological cardiac hypertrophy, and improved survival. This combination of remuscularization plus enhanced host contractility offers a novel approach to treating the chronically failing heart. One Sentence Summary Transplanting gene-edited dATP-donor cardiomyocytes in chronically infarcted heart restores their cardiac function, improving both exercise tolerance and survival.

Genetic deficiency of dystrophin leads to disability and premature death in Duchenne muscular dystrophy, affecting the heart as well as skeletal muscle. Here we report that cardiosphere-derived cells (CDCs), which are being tested clinically for the treatment of Duchenne cardiomyopathy, improve cardiac and skeletal myopathy in the mdx mouse model of DMD and in human Duchenne cardiomyocytes. Injection of CDCs into the hearts of mdx mice augments cardiac function, ambulatory capacity and survival. Exosomes secreted by human CDCs reproduce the benefits of CDCs in mdx mice and in human Duchenne cardiomyocytes. The findings further motivate the testing of CDCs in Duchenne patients, while identifying exosomes as next-generation therapeutic candidates.

Current cell transplantation techniques are hindered by small graft size, requiring high cell doses to achieve therapeutic cardiac remuscularization. Enhancing the proliferation of transplanted human stem cell-derived cardiomyocytes (hESC-CMs) could address this, allowing an otherwise subtherapeutic cell dose to prevent disease progression after myocardial infarction. Here, we designed a hydrogel that activates Notch signaling through 3D presentation of the Notch ligand Delta-1 to use as an injectate for transplanting hESC-CMs into the infarcted rat myocardium. After four weeks, hESC-CM proliferation increased 2-fold and resulted in a 3-fold increase in graft size with the Delta-1 hydrogel compared to controls. To stringently test the effect of Notch-mediated graft expansion on long-term heart function, a normally subtherapeutic dose of hESC-CMs was implanted into the infarcted myocardium and cardiac function was evaluated by echocardiography. Transplantation of the Delta-1 hydrogel + hESC-CMs augmented heart function and was significantly higher at three months compared to controls. Graft size and hESC-CM proliferation were also increased at three months post-implantation. Collectively, these results demonstrate the therapeutic approach of a Delta-1 functionalized hydrogel to reduce the cell dose required to achieve functional benefit after myocardial infarction by enhancing hESC-CM graft size and proliferation.

Directed differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into cardiomyocytes typically produces cells with structural, functional, and biochemical properties that most closely resemble those present in the fetal heart. Here we establish an in vitro engineered developmental cardiac niche to produce matured hPSC-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) with enhanced sarcomere development, electrophysiology, contractile function, mitochondrial capacity, and a more mature transcriptome. When this developmental cardiac niche was applied to dystrophin mutant hPSC-CMs, a robust disease phenotype emerged, which was not observed in non-matured diseased hPSC-CMs. Matured dystrophin mutant hPSC-CMs exhibited a greater propensity for arrhythmia as measured via beat rate variability, most likely due to higher resting cytosolic calcium content. Using a custom nanopatterned microelectrode array platform to screen functional output in hPSC-CMs exposed to our engineered developmental cardiac niche, we identified calcium channel blocker, nitrendipine, mitigated hPSC-CM arrhythmogenic behavior and correctly identified sildenafil as a false positive. Taken together, we demonstrate our developmental cardiac niche platform enables robust hPSC-CM maturation allowing for more accurate disease modeling and predictive drug screening.

Abstract Background Understanding the metabolic changes in colorectal cancer (CRC) and exploring potential diagnostic biomarkers is crucial for elucidating its pathogenesis and reducing mortality. Cancer cells are typically derived from cancer tissues and can be easily obtained and cultured. Systematic studies on CRC cells at different stages are still lacking. Additionally, there is a need to validate our previous findings from human serum. Methods Ultrahigh-performance liquid chromatography tandem high-resolution mass spectrometry (UHPLC-HRMS)-based metabolomics and lipidomics were employed to comprehensively measure metabolites and lipids in CRC cells at four different stages and serum samples from normal control (NR) and CRC subjects. Univariate and multivariate statistical analyses were applied to select the differential metabolites and lipids between groups. Biomarkers with good diagnostic efficacy for CRC that existed in both cells and serum were screened by the receiver operating characteristic curve (ROC) analysis. Furthermore, potential biomarkers were validated using metabolite standards. Results Metabolite and lipid profiles differed significantly among CRC cells at stages A, B, C, and D. Dysregulation of glycerophospholipid (GPL), fatty acid (FA), and amino acid (AA) metabolism played a crucial role in the CRC progression, particularly GPL metabolism dominated by phosphatidylcholine (PC). A total of 46 differential metabolites and 29 differential lipids common to the four stages of CRC cells were discovered. Eight metabolites showed the same trends in CRC cells and serum from CRC patients compared to the control groups. Among them, palmitoylcarnitine and sphingosine could serve as potential biomarkers with the values of area under the curve (AUC) more than 0.80 in the serum and cells. Their panel exhibited excellent performance in discriminating CRC cells at different stages from normal cells (AUC = 1.00). Conclusions To our knowledge, this is the first research to attempt to validate the results of metabolism studies of serum from CRC patients using cell models. The metabolic disorders of PC, FA, and AA were closely related to the tumorigenesis of CRC, with PC being the more critical factor. The panel composed of palmitoylcarnitine and sphingosine may act as a potential biomarker for the diagnosis of CRC, aiding in its prevention.