Summary Hypoplastic left heart syndrome (HLHS) is a severe congenital heart defect with 30% mortality from heart failure (HF) in the first year of life, but why only some patients suffer early-HF and its cause remain unknown. Modeling using induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CM) showed early-HF patient iPSC-CM have increased apoptosis, redox stress, and failed antioxidant response. This was associated with mitochondrial permeability transition pore (mPTP) opening, mitochondrial hyperfusion and respiration defects. Whereas iPSC-CM from patients without early-HF had hyper-elevated antioxidant response with increased mitochondrial fission and mitophagy. Single cell transcriptomics showed dichotomization by HF outcome, with mitochondrial dysfunction and endoplasmic reticulum (ER) stress associated with early-HF. Importantly, oxidative stress and apoptosis associated with early HF were rescued by sildenafil inhibition of mPTP opening or TUDCA suppression of ER stress. Together these findings demonstrate a new paradigm for modeling clinical outcome in iPSC-CM, demonstrating uncompensated mitochondrial oxidative stress underlies early HF in HLHS.

Abstract Left-right patterning disturbance can cause severe birth defects, but it remains least understood of the three body axes. We uncovered an unexpected role for metabolic regulation in left-right patterning. Analysis of the first spatial transcriptome profile of left-right patterning revealed global activation of glycolysis, accompanied by right-sided expression of Bmp7 and genes regulating insulin growth factor signaling. Cardiomyocyte differentiation was left-biased, which may underlie the specification of heart looping orientation. This is consistent with known Bmp7 stimulation of glycolysis and glycolysis suppression of cardiomyocyte differentiation. Liver/lung laterality may be specified via similar metabolic regulation of endoderm differentiation. Myo1d , found to be left-sided, was shown to regulate gut looping in mice, zebrafish, and human. Together these findings indicate metabolic regulation of left-right patterning. This could underlie high incidence of heterotaxy-related birth defects in maternal diabetes, and the association of PFKP, allosteric enzyme regulating glycolysis, with heterotaxy. This transcriptome dataset will be invaluable for interrogating birth defects involving laterality disturbance.