It has been difficult to establish whether we are limited to the heart muscle cells we are born with or if cardiomyocytes are generated also later in life. We have taken advantage of the integration of carbon-14, generated by nuclear bomb tests during the Cold War, into DNA to establish the age of cardiomyocytes in humans. We report that cardiomyocytes renew, with a gradual decrease from 1% turning over annually at the age of 25 to 0.45% at the age of 75. Fewer than 50% of cardiomyocytes are exchanged during a normal life span. The capacity to generate cardiomyocytes in the adult human heart suggests that it may be rational to work toward the development of therapeutic strategies aimed at stimulating this process in cardiac pathologies.

Recent studies have suggested that bone marrow cells might possess a much broader differentiation potential than previously appreciated. In most cases, the reported efficiency of such plasticity has been rather low and, at least in some instances, is a consequence of cell fusion. After myocardial infarction, however, bone marrow cells have been suggested to extensively regenerate cardiomyocytes through transdifferentiation. Although bone marrow–derived cells are already being used in clinical trials, the exact identity, longevity and fate of these cells in infarcted myocardium have yet to be investigated in detail. Here we use various approaches to induce acute myocardial injury and deliver transgenically marked bone marrow cells to the injured myocardium. We show that unfractionated bone marrow cells and a purified population of hematopoietic stem and progenitor cells efficiently engraft within the infarcted myocardium. Engraftment was transient, however, and hematopoietic in nature. In contrast, bone marrow–derived cardiomyocytes were observed outside the infarcted myocardium at a low frequency and were derived exclusively through cell fusion.

Summary

 The contribution of cell generation to physiological heart growth and maintenance in humans has been difficult to establish and has remained controversial. We report that the full complement of cardiomyocytes is established perinataly and remains stable over the human lifespan, whereas the numbers of both endothelial and mesenchymal cells increase substantially from birth to early adulthood. Analysis of the integration of nuclear bomb test-derived ¹⁴C revealed a high turnover rate of endothelial cells throughout life (>15% per year) and more limited renewal of mesenchymal cells (<4% per year in adulthood). Cardiomyocyte exchange is highest in early childhood and decreases gradually throughout life to <1% per year in adulthood, with similar turnover rates in the major subdivisions of the myocardium. We provide an integrated model of cell generation and turnover in the human heart. 

Video Abstract

Inflammation plays an important role in atherosclerosis. One of the most potent pro-inflammatory cytokines is tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha), a cytokine identified to have a pathogenic role in chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis (RA). The aim of the study was to evaluate the importance of TNF-alpha in atherogenesis.Mice deficient in both apolipoprotein E (apoE) and TNF-alpha were compared regarding their atherosclerotic burden. Mice were fed a Western-style diet (WD) or normal chow. Mice deficient in both apoE and TNF-alpha exhibited a 50% (P=0.035) reduction of relative lesion size after 10 weeks of WD. Bone marrow transplantation of apoE(o) mice with apoE(o)tnf-alpha(o) bone marrow resulted in a 83% (P=0.021) reduction after 25 weeks on WD. In apoE knockout mice treated with recombinant soluble TNF receptor I releasing pellets, there was a reduction in relative lesion size after 25 weeks of 75% (P=0.018).These findings demonstrate that TNF-alpha is actively involved in the progression of atherosclerosis. Accordingly, TNF-alpha represents a possible target for prevention of atherosclerosis. This may be of particular importance in rheumatoid arthritis because these patients have an increased risk for cardiovascular disease.

Cellular cardiomyoplasty is an attractive option for the treatment of severe heart failure. It is, however, still unclear and controversial which is the most promising cell source. Therefore, we investigated and examined the fate and functional impact of bone marrow (BM) cells and embryonic stem cell (ES cell)–derived cardiomyocytes after transplantation into the infarcted mouse heart. This proved particularly challenging for the ES cells, as their enrichment into cardiomyocytes and their long-term engraftment and tumorigenicity are still poorly understood. We generated transgenic ES cells expressing puromycin resistance and enhanced green fluorescent protein cassettes under control of a cardiac-specific promoter. Puromycin selection resulted in a highly purified (&gt;99%) cardiomyocyte population, and the yield of cardiomyocytes increased 6–10-fold because of induction of proliferation on purification. Long-term engraftment (4–5 months) was observed when co-transplanting selected ES cell–derived cardiomyocytes and fibroblasts into the injured heart of syngeneic mice, and no teratoma formation was found (n = 60). Although transplantation of ES cell–derived cardiomyocytes improved heart function, BM cells had no positive effects. Furthermore, no contribution of BM cells to cardiac, endothelial, or smooth muscle neogenesis was detected. Hence, our results demonstrate that ES-based cell therapy is a promising approach for the treatment of impaired myocardial function and provides better results than BM-derived cells.

Adult mammalian cardiomyocytes are traditionally viewed as being permanently withdrawn from the cell cycle. Whereas some groups have reported none, others have reported extensive mitosis in adult myocardium under steady-state conditions. Recently, a highly specific assay of 14C dating in humans has suggested a continuous generation of cardiomyocytes in the adult, albeit at a very low rate. Mice represent the most commonly used animal model for these studies, but their short lifespan makes them unsuitable for 14C studies. Herein, we investigate the cellular growth pattern for murine cardiomyocyte growth under steady-state conditions, addressed with new analytical and technical strategies, and we furthermore relate this to gene expression patterns. The observed levels of DNA synthesis in early life were associated with cardiomyocyte proliferation. Mitosis was prolonged into early life, longer than the most conservative previous estimates. DNA synthesis in neonatal life was attributable to bi-nucleation, therefore suggesting that cardiomyocytes withdraw from the cell cycle shortly after birth. No cell cycle activity was observed in adult cardiomyocytes and significant polyploidy was observed in cardiomyocyte nuclei. Gene analyses identified 32 genes whose expression was predicted to be particular to day 3–4 neonatal myocytes, compared with embryonic or adult cells. These cell cycle-associated genes are crucial to the understanding of the mechanisms of bi-nucleation and physiological cellular growth in the neonatal period.

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.

Background Despite being a lifesaving intervention for the most critically ill and circulatory compromised patients, veno-arterial extra-corporeal life support (VA-ECLS) is associated with a mortality rate of nearly 60%. Understanding how the immune response to VA-ECLS either promotes or impedes survival would both enhance risk stratification and uncover new therapeutic strategies for these patients. However, conventional enumeration of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and their subsets have failed to identify determinants of outcome among these cells.Methods Flow cytometry and plasma cytokine measurement was combined with single cell RNASeq analysis of PBMCs from patients in circulatory shock being started on VA-ECLS to identify clinical, laboratory, and cellular features associated with 72 hour survival.Results Non-surviving patients exhibited higher plasma levels of the tissue aggressive inflammatory cytokines IL-1, IL-6, IL-12 and TNF-α. Distribution of cells between conventional PBMC subtypes was not predictive of survival. Single cell RNASeq analysis of discriminatory markers within each PBMC subtype revealed that the proportion of CD8+ Natural Killer T-cells (NKT) that expressed CD52, a known immune-modulator, was associated with improved survival. This cell population correlated inversely with IL-6 production. CD8+/CD52+ NKT cells were quantified by flow cytometry in a second, validation cohort. Those patients with a high proportion of CD52+ cells among all CD8+ NKT cells had more severe disease relative to the low CD52+ group, but nevertheless were nearly 5 time less likely to die in the first 72 hours of VA-ECLS (p=0.043 by log rank test).Conclusions CD8+/CD52+ NKT cells are associated with survival in patients undergoing VA-ECLS. Fluidics based scRNASeq can reveal important aspects of pathophysiology in complex disease states such as circulatory collapse and VA-ECLS. Further studies in animal models will be required to determine if stimulation of CD8+/CD52+ NKT cell expansion may be an effective therapeutic strategy in this patient population.

The cost of drug development from initial concept to FDA approval has been estimated to be about 2.6 billion USD. This cost precludes development of targeted therapies for rare diseases such as monogenetic cardiomyopathies. As part of the Library of Integrated Network-based Cellular Signatures (LINCS) program funded by the NIH, the Broad Institute of MIT has publicly released transcriptional profiles quantifying the effects of more than 25,000 perturbagens on the expression of 978 genes in up to 77 cell lines. Transcriptomics has been shown to be a powerful tool in repurposing drugs and this dataset affords us the unique opportunity to systematically identify small molecule mimics or inhibitors of specific genes, thereby identifying novel treatments for genetic disorders. In this report, we take this approach to identify a novel drug therapy for a monogenic form of familial dilated cardiomyopathy with the transcriptional profile of FDA approved drugs. This approach could potentially be replicated for a wide range of monogenic diseases.

PD pathogenesis may involve the epigenetic control of enhancers that modify neuronal functions. Here, we comprehensively profile DNA methylation at enhancers, genome-wide, in neurons of 57 PD patients and 48 control individuals. We found a widespread increase in cytosine modifications at enhancers in PD neurons, which is partly explained by elevated hydroxymethylation levels. Epigenetic dysregulation of enhancers in PD converge on transcriptional abnormalities affecting neuronal signaling and immune activation pathways. In particular, PD patients exhibit an epigenetic and transcriptional upregulation of TET2, a master-regulator of cytosine modification status. TET2 inactivation in a neuronal cell line results in cytosine modification changes that are reciprocal to those observed in PD neurons. Furthermore, Tet2 inactivation in mice fully prevents dopaminergic neuronal loss in the substantia nigra induced by prior inflammation. Tet2 loss in mice also attenuates transcriptional immune responses to an inflammatory trigger. Thus, widespread epigenetic dysregulation of enhancers in PD neurons may, in part, be mediated by increased TET2 expression. Decreased Tet2 activity is neuroprotective, in vivo, and may be a novel therapeutic target for PD.