Abstract One of the major goals in cardiac regeneration research is to replace lost ventricular tissue with new cardiomyocytes. However, cardiomyocyte proliferation drops to low levels in neonatal hearts and is no longer efficient in compensating for the loss of functional myocardium in heart disease. We generated a human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocyte-specific cell cycle indicator system (TNNT2-FUCCI) to characterize regular and aberrant cardiomyocyte cycle dynamics. We visualized cell cycle progression in TNNT2-FUCCI and found G2 cycle arrest in endoreplicating cardiomyocytes. Moreover, we devised a live-cell compound screening platform to identify pro-proliferative drug candidates. We found that the alpha-adrenergic receptor agonist clonidine induced cardiomyocyte proliferation in vitro and increased cardiomyocyte cell cycle entry in neonatal mice. In conclusion, the TNNT2-FUCCI system is a valuable tool to characterize cardiomyocyte cell cycle dynamics and identify pro-proliferative candidates with regenerative potential in the mammalian heart.

BACKGROUND: Cardiomyocytes in the adult human heart show a regenerative capacity, with an annual renewal rate of ≈0.5%. Whether this regenerative capacity of human cardiomyocytes is employed in heart failure has been controversial. METHODS: We determined cardiomyocyte renewal in 52 patients with advanced heart failure, 28 of whom received left ventricular assist device support. We measured the concentration of nuclear bomb test–derived 14 C in cardiomyocyte genomic DNA and performed mathematical modeling to establish cardiomyocyte renewal in heart failure with and without LVAD unloading. RESULTS: We show that cardiomyocyte generation is minimal in end-stage heart failure patients at rates 18 to 50× lower compared with the healthy heart. However, patients receiving left ventricle support device therapy, who showed significant functional and structural cardiac improvement, had a >6-fold increase in cardiomyocyte renewal relative to the healthy heart. CONCLUSIONS: Our findings reveal a substantial cardiomyocyte regeneration potential in human heart disease, which could be exploited therapeutically.

Cardiomyocytes in the adult human heart show a regenerative capacity, with an annual renewal rate around 0.5%. Whether this regenerative capacity of human cardiomyocytes is employed in heart failure has been controversial. Using retrospective 14C birth dating we analyzed cardiomyocyte renewal in patients with end-stage heart failure. We show that cardiomyocyte generation is minimal in end-stage heart failure patients at rates 18-50 times lower compared to the healthy heart. However, patients receiving left ventricle support device therapy, who showed significant functional and structural cardiac improvement, had a >6-fold increase in cardiomyocyte renewal relative to the healthy heart. Our findings reveal a substantial cardiomyocyte regeneration potential in human heart disease, which could be exploited therapeutically.