Reduced activity of the calcium-transporting ATPase SERCA2a is a hallmark of heart failure; here, microRNAs that downregulate SERCA2a function are identified, and antagonism of one, miR-25, is shown to halt heart failure in mice. Chronic heart failure occurs when the cardiac muscles steadily lose their ability to contract. The condition is associated with reduced activity of the calcium-transporting ATPase SERCA2a. Restoration of SERCA2a function has shown beneficial effects in preclinical models of heart failure, and gene therapy approaches to restore SERCA2a function are being tested in clinical trials. Mark Mercola and colleagues performed a functional screen of the human microRNAome to identify microRNAs that downregulate SERCA2a function. One potent hit, miR-25, is upregulated in human heart failure and antagonism of miR-25 halts established heart failure in mice. This finding highlights inhibition of miR-25 as a potential strategy for the treatment of heart failure. Heart failure is characterized by a debilitating decline in cardiac function1, and recent clinical trial results indicate that improving the contractility of heart muscle cells by boosting intracellular calcium handling might be an effective therapy2,3. MicroRNAs (miRNAs) are dysregulated in heart failure4,5 but whether they control contractility or constitute therapeutic targets remains speculative. Using high-throughput functional screening of the human microRNAome, here we identify miRNAs that suppress intracellular calcium handling in heart muscle by interacting with messenger RNA encoding the sarcoplasmic reticulum calcium uptake pump SERCA2a (also known as ATP2A2). Of 875 miRNAs tested, miR-25 potently delayed calcium uptake kinetics in cardiomyocytes in vitro and was upregulated in heart failure, both in mice and humans. Whereas adeno-associated virus 9 (AAV9)-mediated overexpression of miR-25 in vivo resulted in a significant loss of contractile function, injection of an antisense oligonucleotide (antagomiR) against miR-25 markedly halted established heart failure in a mouse model, improving cardiac function and survival relative to a control antagomiR oligonucleotide. These data reveal that increased expression of endogenous miR-25 contributes to declining cardiac function during heart failure and suggest that it might be targeted therapeutically to restore function.

Tissue engineering is emerging as a potential therapeutic approach to overcome limitations of cell therapy, like cell retention and survival, as well as to mechanically support the ventricular wall and thereby prevent dilation. Tissue printing technology (TP) offers the possibility to deliver, in a defined and organized manner, scaffolding materials and living cells. The aim of our study was to evaluate the combination of TP, human cardiac-derived cardiomyocyte progenitor cells (hCMPCs) and biomaterials to obtain a construct with cardiogenic potential for in vitro use or in vivo application. With this approach, we were able to generate an in vitro tissue with homogenous distribution of cells in the scaffold. Cell viability was determined after printing and showed that 92% and 89% of cells were viable at 1 and 7 days of culturing, respectively. Moreover, we demonstrated that printed hCMPCs retained their commitment for the cardiac lineage. In particular, we showed that 3D culture enhanced gene expression of the early cardiac transcription factors Nkx2.5, Gata-4 and Mef-2c as well as the sarcomeric protein TroponinT. Printed cells were also able to migrate from the alginate matrix and colonize a matrigel layer, thereby forming tubular-like structures. This indicated that printing can be used for defined cell delivery, while retaining functional properties.

Left ventricular (LV) remodeling leads to congestive heart failure and is a main determinant of morbidity and mortality following myocardial infarction. Therapeutic options to prevent LV remodeling are limited, which necessitates the exploration of alternative therapeutic targets. Toll-like receptors (TLRs) serve as pattern recognition receptors within the innate immune system. Activation of TLR4 results in an inflammatory response and is involved in extracellular matrix degradation, both key processes of LV remodeling following myocardial infarction. To establish the role of TLR4 in postinfarct LV remodeling, myocardial infarction was induced in wild-type BALB/c mice and TLR4-defective C3H-Tlr4(LPS-d) mice. Without affecting infarct size, TLR4 defectiveness reduced the extent of LV remodeling (end-diastolic volume: 103.7+/-6.8 microL versus 128.5+/-5.7 microL; P<0.01) and preserved systolic function (ejection fraction: 28.2+/-3.1% versus 16.6+/-1.3%; P<0.01), as assessed by MRI. In the noninfarcted area, interstitial fibrosis, and myocardial hypertrophy were reduced in C3H-Tlr4(LPS-d) mice. In the infarcted area, however, collagen density was increased, which was accompanied by fewer macrophages, reduced inflammation regulating cytokine expression levels (interleukin [IL]-1alpha, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-17, tumor necrosis factor-alpha, interferon-gamma, granulocyte/macrophage colony-stimulating factor), and reduced matrix metalloproteinase-2 (4684+/-515 versus 7573+/-611; P=0.002) and matrix metalloproteinase-9 activity (76.0+/-14.3 versus 168.0+/-36.2; P=0.027). These data provide direct evidence for a causal role of TLR4 in postinfarct maladaptive LV remodeling, probably via inflammatory cytokine production and matrix degradation. TLR4 may therefore constitute a novel target in the treatment of ischemic heart failure.

Objective— To improve regeneration of the injured myocardium, it is necessary to enhance the intrinsic capacity of the heart to regenerate itself and/or replace the damaged tissue by cell transplantation. Cardiomyocyte progenitor cells (CMPCs) are a promising cell population, easily expanded and efficiently differentiated into beating cardiomyocytes. Recently, several studies have demonstrated that microRNAs (miRNAs) are important for stem cell maintenance and differentiation via translational repression. We hypothesize that miRNAs are also involved in proliferation/differentiation of the human CMPCs in vitro. Methods and Results— Human fetal CMPCs were isolated, cultured, and efficiently differentiated into beating cardiomyocytes. miRNA expression profiling demonstrated that muscle-specific miR-1 and miR-499 were highly upregulated in differentiated cells. Transient transfection of miR-1 and -499 in CMPC reduced proliferation rate by 25% and 15%, respectively, and enhanced differentiation into cardiomyocytes in human CMPCs and embryonic stem cells, likely via the repression of histone deacetylase 4 or Sox6. Histone deacetylase 4 and Sox6 protein levels were reduced, and small interference RNA (siRNA)-mediated knockdown of Sox6 strongly induced myogenic differentiation. Conclusion— miRNAs regulate the proliferation of human CMPC and their differentiation into cardiomyocytes. By modulating miR-1 and -499 expression levels, human CMPC function can be altered and differentiation directed, thereby enhancing cardiomyogenic differentiation.

Extracellular vesicles (EVs) are nano-sized, lipid bilayer-enclosed particles involved in intercellular communication. EVs are increasingly being considered as drug delivery vehicles or as cell-free approach to regenerative medicine. However, one of the major challenges for their clinical application is finding a scalable EV isolation method that yields functional EVs. Although the golden standard for EV isolation is ultracentrifugation (UC), a recent study suggested that isolation using size-exclusion chromatography (SEC) yielded EVs with more intact biophysical properties. Whether this also leads to differences in functionality remained to be investigated. Therefore, we investigated possible differences in functionality of cardiomyocyte progenitor cell-derived EVs isolated using UC and SEC. Western blot analysis showed higher pERK/ERK ratios in endothelial cells after stimulation with SEC-EVs compared to UC-EVs, indicating that SEC-EVs bear higher functionality. Therefore, we propose to use SEC-EVs for further investigation of EVs' therapeutic potential. Further optimization of isolation protocols may accelerate clinical adoption of therapeutic EVs.

Abstract Minimally invasive intervention strategies after myocardial infarction use state‐of‐the‐art catheter systems that are able to combine mapping of the infarcted area with precise, local injection of drugs. To this end, catheter delivery of drugs that are not immediately pumped out of the heart is still challenging, and requires a carrier matrix that in the solution state can be injected through a long catheter, and instantaneously gelates at the site of injection. To address this unmet need, a pH‐switchable supramolecular hydrogel is developed. The supramolecular hydrogel is switched into a liquid at pH > 8.5, with a viscosity low enough to enable passage through a 1‐m long catheter while rapidly forming a hydrogel in contact with tissue. The hydrogel has self‐healing properties taking care of adjustment to the injection site. Growth factors are delivered from the hydrogel thereby clearly showing a reduction of infarct scar in a pig myocardial infarction model.

Extracellular vesicles are nanoparticles produced by cells. They are composed of cellular membrane with associated membrane proteins that surrounds an aqueous core containing soluble molecules such as proteins and nucleic acids, like miRNA and mRNA. They are important in many physiological and pathological processes as they can transfer biological molecules from producer cells to acceptor cells. Preparation of the niche for cancer metastasis, stimulation of tissue regeneration and orchestration of the immune response are examples of the diverse processes in which extracellular vesicles have been implicated. As a result, these vesicles have formed a source of inspiration for many scientific fields. They could be used, for example, as liquid biopsies in diagnostics, as therapeutics in regenerative medicine, or as drug delivery vehicles for transport of medicines. In this Account, we focus on drug delivery applications. As we learn more and more about these vesicles, the complexity increases. What originally appeared to be a relatively uniform population of cellular vesicles is increasingly subdivided into different subsets. Cells make various distinct vesicle types whose physicochemical aspects and composition is influenced by parental cell type, cellular activation state, local microenvironment, biogenesis pathway, and intracellular cargo sorting routes. It has proven difficult to assess the effects of changes in production protocol on the characteristics of the cell-derived vesicle population. On top of that, each isolation method for vesicles necessarily enriches certain vesicle classes and subpopulations while depleting others. Also, each method is associated with a varying degree of vesicle purity and concomitant coisolation of nonvesicular material. What emerges is a staggering heterogeneity. This constitutes one of the main challenges of the field as small changes in production and isolation protocols may have large impact on the vesicle characteristics and on subsequent vesicle activity. We try to meet this challenge by careful experimental design and development of tools that enable robust readouts. By engineering the surface and cargo of extracellular vesicles through chemical and biological techniques, favorable characteristics can be enforced while unfavorable qualities can be overruled or masked. This is coupled to the precise evaluation of the interaction of extracellular vesicles with cells to determine the extracellular vesicle uptake routes and intracellular routing. Sensitive reporter assays enable reproducible analysis of functional delivery. This systematic evaluation and optimization of extracellular vesicles improves our insight into the critical determinants of extracellular vesicle activity and should improve translation into clinical application of engineered extracellular vesicles as a new class of drug delivery systems.