Environment Matters Stem cells isolated from muscle can be used for muscle regeneration, but only if the stem cells are fresh. Under standard cell culture conditions in the laboratory, muscle stem cells fail to proliferate efficiently and lose their regenerative capacity. Gilbert et al. (p. 1078 , published online 15 July; see the Perspective by Bhatia ) built an in vitro–culture system that resembles the physical characteristics in which muscle stem cells normally reside: a squishy elastic bed (rather than the hard slab of a plastic culture flask). Laminin tethered to hydrogels was used to generate substrates of varying elasticity. When cultured on these substrates, muscle stem cells remained undifferentiated and were able to support muscle regeneration when transplanted back into mice.

In two new studies, Helen Blau and Bradley Olwin and their colleagues show that muscle stem cells in aged mice have an intrinsic defect in their stem cell capacity, contributing to age-related sarcopenia. They also provide mechanistic insight to explain this phenomenon and show that biochemical and biophysical manipulations can overcome the defect, suggesting a possible future route of therapy. The elderly often suffer from progressive muscle weakness and regenerative failure. We demonstrate that muscle regeneration is impaired with aging owing in part to a cell-autonomous functional decline in skeletal muscle stem cells (MuSCs). Two-thirds of MuSCs from aged mice are intrinsically defective relative to MuSCs from young mice, with reduced capacity to repair myofibers and repopulate the stem cell reservoir in vivo following transplantation. This deficiency is correlated with a higher incidence of cells that express senescence markers and is due to elevated activity of the p38α and p38β mitogen-activated kinase pathway. We show that these limitations cannot be overcome by transplantation into the microenvironment of young recipient muscles. In contrast, subjecting the MuSC population from aged mice to transient inhibition of p38α and p38β in conjunction with culture on soft hydrogel substrates rapidly expands the residual functional MuSC population from aged mice, rejuvenating its potential for regeneration and serial transplantation as well as strengthening of damaged muscles of aged mice. These findings reveal a synergy between biophysical and biochemical cues that provides a paradigm for a localized autologous muscle stem cell therapy for the elderly.

Mouw et al. delineate a molecular pathway by which matrix stiffness promotes tumor malignancy. Upon matrix stiffening, integrin signaling is engaged, triggering a signaling cascade that regulates the protumorigenic microRNA miR-18a. This leads to downregulation of PTEN and activation of oncogenic signaling. The pathway provides a link between mechanotransduction, miR regulation and oncogene activation that integrates biophysical changes into tumor progression and can also be altered in human tumors. Tissue mechanics regulate development and homeostasis and are consistently modified in tumor progression. Nevertheless, the fundamental molecular mechanisms through which altered mechanics regulate tissue behavior and the clinical relevance of these changes remain unclear. We demonstrate that increased matrix stiffness modulates microRNA expression to drive tumor progression through integrin activation of β-catenin and MYC. Specifically, in human and mouse tissue, increased matrix stiffness induced miR-18a to reduce levels of the tumor suppressor phosphatase and tensin homolog (PTEN), both directly and indirectly by decreasing levels of homeobox A9 (HOXA9). Clinically, extracellular matrix stiffness correlated directly and significantly with miR-18a expression in human breast tumor biopsies. miR-18a expression was highest in basal-like breast cancers in which PTEN and HOXA9 levels were lowest, and high miR-18a expression predicted poor prognosis in patients with luminal breast cancers. Our findings identify a mechanically regulated microRNA circuit that can promote malignancy and suggest potential prognostic roles for HOXA9 and miR-18a levels in stratifying patients with luminal breast cancers.

Abstract Three-dimensional (3D) in vitro models of human skeletal muscle mimic aspects of native tissue structure and function, thereby providing a promising system for disease modeling, drug discovery or pre-clinical validation, and toxicity testing. Widespread adoption of this research approach is hindered by the lack of easy-to-use platforms that are simple to fabricate and that yield arrays of human skeletal muscle micro-tissues (hMMTs) in culture with reproducible physiological responses that can be assayed non-invasively. Here, we describe a design and methods to generate a reusable mold to fabricate a 96-well platform, referred to as MyoTACTIC, that enables bulk production of 3D hMMTs. All 96-wells and all well features are cast in a single step from the reusable mold. Non-invasive calcium transient and contractile force measurements are performed on hMMTs directly in MyoTACTIC, and unbiased force analysis occurs by a custom automated algorithm, allowing for longitudinal studies of function. Characterizations of MyoTACTIC and resulting hMMTs confirms the capability of the device to support formation of hMMTs that recapitulate biological responses. We show that hMMT contractile force mirrors expected responses to compounds shown by others to decrease (dexamethasone, cerivastatin) or increase (IGF-1) skeletal muscle strength. Since MyoTACTIC supports hMMT long-term culture, we evaluated direct influences of pancreatic cancer chemotherapeutics agents on contraction competent human skeletal muscle myotubes. A single application of a clinically relevant dose of Irinotecan decreased hMMT contractile force generation, while clear effects on myotube atrophy were observed histologically only at a higher dose. This suggests an off-target effect that may contribute to cancer associated muscle wasting, and highlights the value of the MyoTACTIC platform to non-invasively predict modulators of human skeletal muscle function.

Abstract To accelerate the cardiac drug discovery pipeline, we set out to develop a platform that would be capable of quantifying tissue-level functions such as contractile force and be amenable to standard multiwell-plate manipulations. We report a 96-well-based array of 3D human pluripotent stem cell (hPSC)-derived cardiac microtissues - termed Cardiac MicroRings (CaMiRi) - in custom 3D-print-molded multiwell plates capable of contractile force measurement. Within each well, two elastomeric microcantilevers are situated above a circumferential ramp. The wells are seeded with cell-laden collagen, which, in response to the gradual slope of the circumferential ramp, self-organizes around tip-gated microcantilevers to form contracting CaMiRi. The contractile force exerted by the CaMiRi is measured and calculated using the deflection of the cantilevers. Platform responses were robust and comparable across wells, and we used it to determine an optimal tissue formulation. We validated the contractile force response of CaMiRi using selected cardiotropic compounds with known effects. Additionally, we developed automated protocols for CaMiRi seeding, image acquisition, and analysis to enable the measurement of contractile force with increased throughput. The unique tissue fabrication properties of the platform, and the consequent effects on tissue function, were demonstrated upon adding hPSC-derived epicardial cells to the system. This platform represents an open-source contractile force screening system useful for drug screening and tissue engineering applications.

Summary Fusion of muscle progenitor cells is necessary for skeletal muscle development and repair. Cell fusion is a multistep process involving cell migration, adhesion, membrane remodeling and actin-nucleation pathways to generate multinucleated myotubes. While the cellular and molecular mechanisms promoting muscle cell fusion have been intensely investigated in recent years, molecular brakes restraining cell–cell fusion events to control syncytia formation have remained elusive. Here, we show that transforming growth factor beta (TGFβ) signaling is active in adult muscle cells throughout the fusion process and reduce muscle cell fusion independently of the differentiation step. In contrast, inhibition of TGFβ signaling enhances cell fusion and promotes branching between myotubes. Pharmacological modulation of the pathway in vivo perturbs muscle regeneration after injury. Exogenous addition of TGFβ protein results in a loss of muscle function while inhibition of the TGFβ pathway induces the formation of giant myofibres. Transcriptome analyses and functional assays revealed that TGFβ acts on actin dynamics and reduce cell spreading through modulation of actin-based protrusions. Together our results reveal a signaling pathway that limits mammalian myoblast fusion and add a new level of understanding to the molecular regulation of myogenesis.

ABSTRACT To accelerate the cardiac drug discovery pipeline, we set out to develop a platform that would be amenable to standard multiwell-plate manipulations and be capable of quantifying tissue-level functions such as contractile force. We report a 96-well-based array of 3D human pluripotent stem cell (hPSC)-derived cardiac microtissues - termed Cardiac MicroRings (CaMiRi) - in custom printed multiwell plates capable of contractile force measurement. Within each well, two elastomeric microcantilevers are situated above a ramp. The wells are seeded with cell-laden collagen which, in response to the slope of the ramp, self-organizes around tip-gated microcantilevers to form contracting CaMiRi. The contractile force exerted by the CaMiRi is measured and calculated using the deflection of the cantilevers. Platform responses were robust and comparable across wells and we used it to determine an optimal tissue formulation. We validated contractile force response of CaMiRi using selected cardiotropic compounds with known effects. Additionally, we developed automated protocols for CaMiRi seeding, image acquisition, and analysis to enable measurement of contractile force with increased throughput. The unique tissue fabrication properties of the platform, and the consequent effects on tissue function, were demonstrated upon adding hPSC-derived epicardial cells to the system. This platform represents an open-source contractile force screening system useful for drug screening and tissue engineering applications.

Abstract The mechanical properties and tension of muscle tissue are tightly related to proper skeletal muscle function, which makes experimental access to the biomechanics of muscle tissue development a key requirement to advance our understanding of muscle function and development. Recently developed elastic in vitro culture chambers allow for raising 3D muscle tissue under controlled conditions and measurements of tissue force generation. However, these chambers are inherently incompatible with high resolution microscopy limiting their usability to global force measurements, and preventing the exploitation of modern fluorescence based investigation methods for live and dynamic measurements. Here we present a new chamber design pairing global force measurements, quantified from post deflection, with local tension measurements obtained from elastic hydrogel beads embedded in the muscle tissue. High resolution 3D video microscopy of engineered muscle development, enabled by the new chamber, shows an early mechanical tissue homeostasis that remains stable in spite of continued myotube maturation.

Abstract Development of a repeatable method for delivering transgene payloads to human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) without risking unintended off-target effects is not fully realized. Yet, such methods are indispensable to fully unlocking the potential for applying synthetic biological approaches to regenerative medicine, delivering quantum impacts to cell-based therapeutics development. Here we present a toolkit for engineering hiPSCs centred on the development of two core ‘landing-pad’ cell-lines, facilitating rapid high-efficiency delivery of transgenes to the AAVS1 safe-harbour locus using the Bxb1 large-serine recombinase. We developed two landing-pad cell lines expressing green and red fluorescent reporters respectively, both retaining stemness whilst fully capable of differentiation into all three germ layers. A fully selected hiPSC population can be isolated within 1-2 weeks after landing-pad recombinase-mediated cassette exchange. We demonstrate the capability for investigator-controlled homozygous or heterozygous transgene configurations in these cells. As such, the toolkit of vectors and protocols associated with this landing-pad hiPSC system has the potential to accelerate engineering workflows for researchers in a variety of disciplines.

Abstract Three-dimensional tissue-engineered models are poised to facilitate understanding of skeletal muscle pathophysiology and identify novel therapeutic agents to improve muscle health. Adopting these culture models within the broader biology community is a challenge as many models involve complex methodologies and significant investments of time and resources to optimize manufacturing protocols. To alleviate this barrier, we developed a protocol with commercially available reagents to cryopreserve myoblasts in a 96-well compatible format that allows tissues to be transferred to users without expertise in 2D or 3D skeletal muscle cell culture. We validate that myoblasts encapsulated in a hydrogel and cryopreserved in paper-based scaffolds maintain cell viability, differentiation, and function via acetylcholine-induced transient calcium responses. Furthermore, we demonstrate successful shipping of myoblasts cryopreserved in paper-based scaffolds to intra-provincial and international collaborators who successfully thawed, cultured, and used the 3D muscle tissues. Finally, we confirm the application of our method to study muscle endogenous repair by seeding freshly isolated skeletal muscle stem cells to cryopreserved then differentiated and injured tissues, demonstrating expected responses to a known stimulator of muscle stem cell self-renewal, p38α/β MAPKi. Altogether, our 3D myoblast cryopreservation protocol offers broadened access of a complex skeletal muscle tissue model to the research community.