Doxorubicin is an anthracycline chemotherapy agent effective in treating a wide range of malignancies, but it causes a dose-related cardiotoxicity that can lead to heart failure in a subset of patients. At present, it is not possible to predict which patients will be affected by doxorubicin-induced cardiotoxicity (DIC). Here we demonstrate that patient-specific human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) can recapitulate the predilection to DIC of individual patients at the cellular level. hiPSC-CMs derived from individuals with breast cancer who experienced DIC were consistently more sensitive to doxorubicin toxicity than hiPSC-CMs from patients who did not experience DIC, with decreased cell viability, impaired mitochondrial and metabolic function, impaired calcium handling, decreased antioxidant pathway activity, and increased reactive oxygen species production. Taken together, our data indicate that hiPSC-CMs are a suitable platform to identify and characterize the genetic basis and molecular mechanisms of DIC.

Tyrosine kinase inhibitors (TKIs), despite their efficacy as anticancer therapeutics, are associated with cardiovascular side effects ranging from induced arrhythmias to heart failure. We used human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs), generated from 11 healthy individuals and 2 patients receiving cancer treatment, to screen U.S. Food and Drug Administration-approved TKIs for cardiotoxicities by measuring alterations in cardiomyocyte viability, contractility, electrophysiology, calcium handling, and signaling. With these data, we generated a "cardiac safety index" to reflect the cardiotoxicities of existing TKIs. TKIs with low cardiac safety indices exhibit cardiotoxicity in patients. We also derived endothelial cells (hiPSC-ECs) and cardiac fibroblasts (hiPSC-CFs) to examine cell type-specific cardiotoxicities. Using high-throughput screening, we determined that vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2)/platelet-derived growth factor receptor (PDGFR)-inhibiting TKIs caused cardiotoxicity in hiPSC-CMs, hiPSC-ECs, and hiPSC-CFs. With phosphoprotein analysis, we determined that VEGFR2/PDGFR-inhibiting TKIs led to a compensatory increase in cardioprotective insulin and insulin-like growth factor (IGF) signaling in hiPSC-CMs. Up-regulating cardioprotective signaling with exogenous insulin or IGF1 improved hiPSC-CM viability during cotreatment with cardiotoxic VEGFR2/PDGFR-inhibiting TKIs. Thus, hiPSC-CMs can be used to screen for cardiovascular toxicities associated with anticancer TKIs, and the results correlate with clinical phenotypes. This approach provides unexpected insights, as illustrated by our finding that toxicity can be alleviated via cardioprotective insulin/IGF signaling.

Abstract A ratiometric genetically encoded voltage indicator (GEVI) would be desirable for tracking transmembrane voltage changes in cells that are undergoing motion. To create a high-performance ratiometric GEVI, we explored the possibility of adding a voltage-independent red fluorophore to ASAP3, a high-gain green fluorescent GEVI. We performed combinatorial multi-site mutagenesis on the cyan-excitable red fluorescent protein mCyRFP1 to enhance brightness and monomericity, creating mCyRFP3. Among red fluorescent proteins tested, mCyRFP3 proved to be the least perturbing when fused to ASAP3. We demonstrate that the red fluorescence of ASAP3-mCyRFP3 (ASAP3-R3) provides an effective reference channel to remove motion artifacts from voltage-induced changes in green fluorescence. Finally we use ASAP3-R3 to visualize membrane voltage changes throughout the cell cycle of motile cells.

SUMMARY Maternal drug exposure during pregnancy increases the risks of developmental cardiotoxicity, leading to congenital heart defects (CHDs). In this study, we used human stem cells as an in-vitro system to interrogate the mechanisms underlying drug-induced toxicity during cardiomyocyte differentiation, including anticancer tyrosine kinase inhibitor (TKI) drugs (imatinib, sunitinib, and vandetanib). H1-ESCs were treated with these drugs at sublethal levels during cardiomyocyte differentiation. We found that early exposure to TKIs during differentiation induced obvious toxic effects in differentiated cardiomyocytes, including disarranged sarcomere structure, interrupted Ca 2+ -handling, and impaired mitochondrial function. As sunitinib exposure showed the most significant developmental cardiotoxicity of all TKIs, we further examine its effect with in-vivo experiments. Maternal sunitinib exposure caused fetal death, bioaccumulation, and histopathologic changes in the neonatal mice. Integrative analysis of both transcriptomic and chromatin accessibility landscapes revealed that TKI-exposure altered GATA4-mediated regulatory network, which included key mitochondrial genes. Overexpression of GATA4 with CRISPR-activation restored morphologies, contraction, and mitochondria function in cardiomyocytes upon TKI exposure early during differentiation. Altogether, our study identified a novel crosstalk mechanism between GATA4 activity and mitochondrial function during cardiomyocyte differentiation, and revealed potential therapeutic approaches for reducing TKI-induced developmental cardiotoxicity for human health. Highlights Early-stage exposure to TKIs induced cardiotoxicity and mitochondrial dysfunction GATA4 transcriptional activity is inhibited by TKIs Network analysis reveals interactions between GATA4 and mitochondrial genes GATA4-overexpression rescues cardiomyocytes and mitochondria from TKI exposure

Vascular inflammation critically regulates endothelial cell (EC) pathophenotypes, particularly in pulmonary arterial hypertension (PAH). Dysregulation of lysosomal activity and cholesterol metabolism have known inflammatory roles in disease, but their relevance to PAH is unclear. In human pulmonary arterial ECs and in PAH, we found that inflammatory cytokine induction of the nuclear receptor coactivator 7 (NCOA7) both preserved lysosomal acidification and served as a homeostatic brake to constrain EC immunoactivation. Conversely, NCOA7 deficiency promoted lysosomal dysfunction and proinflammatory oxysterol/bile acid generation that, in turn, contributed to EC pathophenotypes. In vivo, mice deficient for Ncoa7 or exposed to the inflammatory bile acid 7α-hydroxy-3-oxo-4-cholestenoic acid (7HOCA) displayed worsened PAH. Emphasizing this mechanism in human PAH, an unbiased, metabolome-wide association study (N=2,756) identified a plasma signature of the same NCOA7-dependent oxysterols/bile acids associated with PAH mortality (P<1.1x10-6). Supporting a genetic predisposition to NCOA7 deficiency, in genome-edited, stem cell-derived ECs, the common variant intronic SNP rs11154337 in NCOA7 regulated NCOA7 expression, lysosomal activity, oxysterol/bile acid production, and EC immunoactivation. Correspondingly, SNP rs11154337 was associated with PAH severity via six-minute walk distance and mortality in discovery (N=93, P=0.0250; HR=0.44, 95% CI [0.21-0.90]) and validation (N=630, P=2x10-4; HR=0.49, 95% CI [0.34-0.71]) cohorts. Finally, utilizing computational modeling of small molecule binding to NCOA7, we predicted and synthesized a novel activator of NCOA7 that prevented EC immunoactivation and reversed indices of rodent PAH. In summary, we have established a genetic and metabolic paradigm and a novel therapeutic agent that links lysosomal biology as well as oxysterol and bile acid processes to EC inflammation and PAH pathobiology. This paradigm carries broad implications for diagnostic and therapeutic development in PAH and in other conditions dependent upon acquired and innate immune regulation of vascular disease.

Abstract Background Phospholamban (PLN) is a key regulator of cardiac function connecting adrenergic signaling and calcium homeostasis. The R9C mutation of PLN is known to cause early onset dilated cardiomyopathy (DCM) and premature death, yet the detailed mechanisms underlie the pathologic remodeling process are not well defined in human cardiomyocytes. The aim of this study is to unravel the role of PLN R9C in DCM and identify potential therapeutic targets. Methods PLN R9C knock-in (KI) and patient-specific induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) were generated and comprehensively examined for their expression profile, contractile function, and cellular signaling under both baseline conditions and following functional challenges. Results PLN R9C KI iPSC-CMs exhibited near-normal morphology and calcium handling, slightly increased contractility, and an attenuated response to β-adrenergic activation compared to wild-type (WT) cells. However, treatment with a maturation medium (MM) has induced fundamentally different remodeling in the two groups: while it improved the structural integrity and functional performance of WT cells, the same treatment result in sarcomere disarrangement, calcium handling deficiency, and further disrupted adrenergic signaling in PLN R9C KI cells. To understand the mechanism, transcriptomic analysis showed the enrichment of protein homeostasis signaling pathways specifically in PLN R9C KI cells in response to the MM treatment and increased contractile demands. Further studies also indicated elevated ROS levels, interrupted autophagic flux, and increased pentamer PLN aggregation in functionally challenged KI cells. These results were further confirmed in patient-specific iPSC-CM models, suggesting that functional stresses exacerbate the deficiencies in PLN R9C cells through disrupting protein homeostasis. Indeed, treating stressed patient cells with autophagy-accelerating reagents, such as metformin and rapamycin, has restored autophagic flux, mitigated sarcomere disarrangement, and partially rescued β-adrenergic signaling and cardiac function. Conclusions PLN R9C leads to a mild increase of calcium recycling and contractility. Functional challenges further enhanced contractile and proteostasis stress, leading to autophagic overload, structural remodeling, and functional deficiencies in PLN R9C cardiomyocytes. Activation of autophagy signaling partially rescues these effects, revealing a potential therapeutic target for DCM patients with the PLN R9C mutation. Graphic abstracts A graphic abstract is available for this article.