Cardiomyocytes (CMs) from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) are functionally immature, but this is improved by incorporation into engineered tissues or forced contraction. Here, we showed that tri-cellular combinations of hiPSC-derived CMs, cardiac fibroblasts (CFs), and cardiac endothelial cells also enhance maturation in easily constructed, scaffold-free, three-dimensional microtissues (MTs). hiPSC-CMs in MTs with CFs showed improved sarcomeric structures with T-tubules, enhanced contractility, and mitochondrial respiration and were electrophysiologically more mature than MTs without CFs. Interactions mediating maturation included coupling between hiPSC-CMs and CFs through connexin 43 (CX43) gap junctions and increased intracellular cyclic AMP (cAMP). Scaled production of thousands of hiPSC-MTs was highly reproducible across lines and differentiated cell batches. MTs containing healthy-control hiPSC-CMs but hiPSC-CFs from patients with arrhythmogenic cardiomyopathy strikingly recapitulated features of the disease. Our MT model is thus a simple and versatile platform for modeling multicellular cardiac diseases that will facilitate industry and academic engagement in high-throughput molecular screening.

The polymer polydimethylsiloxane (PDMS) is widely used to build microfluidic devices compatible with cell culture. Whilst convenient in manufacture, PDMS has the disadvantage that it can absorb small molecules such as drugs. In microfluidic devices like “Organs-on-Chip”, designed to examine cell behavior and test the effects of drugs, this might impact drug bioavailability. Here we developed an assay to compare the absorption of a test set of four cardiac drugs by PDMS based on measuring the residual non-absorbed compound by High Pressure Liquid Chromatography (HPLC). We showed that absorption was variable and time dependent and not determined exclusively by hydrophobicity as claimed previously. We demonstrated that two commercially available lipophilic coatings and the presence of cells affected absorption. The use of lipophilic coatings may be useful in preventing small molecule absorption by PDMS.

Cardiomyocytes and endothelial cells in the heart are in close proximity and in constant dialogue. Endothelium regulates the size of the heart, supplies oxygen to the myocardium and secretes factors that support cardiomyocyte function. Robust and predictive cardiac disease models that faithfully recapitulate native human physiology in vitro would therefore ideally incorporate this cardiomyocyte-endothelium crosstalk. Here, we generated and characterized human cardiac microtissues in vitro that integrate both cell types in complex 3D structures. We established conditions for simultaneous differentiation of cardiomyocytes and endothelial cells from human pluripotent stem cells following initial cardiac mesoderm induction. The endothelial cells expressed cardiac markers also present in primary cardiac microvasculature suggesting cardiac endothelium identity. These cell populations were further enriched based on surface markers expression, then recombined allowing development of beating 3D structures termed cardiac microtissues. This in vitro model was robustly reproducable in both embryonic and induced pluripotent stem cells. It thus represents an advanced human stem cell-based platform for cardiovascular disease modelling and testing of relevant drugs.

Abstract Contraction of muscle reflects its physiological state. Methods to quantify contraction are often complex, expensive and tailored to specific models or recording conditions, or require specialist knowledge for data extraction. Here we describe an automated, open-source software tool (MUSCLEMOTION) adaptable for use with standard laboratory and clinical imaging equipment that enables quantitative analysis of normal cardiac contraction, disease phenotypes and pharmacological responses. MUSCLEMOTION allowed rapid and easy measurement of contractility in (i) single cardiomyocytes from primary adult heart and human pluripotent stem cells, (ii) multicellular 2D-cardiomyocyte cultures, 3D engineered heart tissues and cardiac organoids/microtissues in vitro and (iii) intact hearts of zebrafish and humans in vivo . Good correlation was found with conventional measures of contraction in each system. Thus, using a single method for processing video recordings, we obtained reliable pharmacological data and measures of cardiac disease phenotype in experimental cell- and animal models and human echocardiograms.

SUMMARY Inserting large DNA payloads (>10 kb) into specific genomic sites of mammalian cells remains challenging. Applications ranging from synthetic biology to evaluating the pathogenicity of disease-associated variants for precision medicine initiatives would greatly benefit from tools that facilitate this process. Here, we merge the strengths of different classes of site-specific recombinases and combine these with CRISPR/Cas9-mediated homologous recombination to develop a strategy for stringent site-specific replacement of genomic fragments at least 50 kb in size in human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). We demonstrate the versatility of STRAIGHT-IN ( S erine and T yrosine R ecombinase A ssisted Integration of G enes for H igh- T hroughput IN vestigation) by: (i) inserting various combinations of fluorescent reporters into hiPSCs to assess excitation-contraction coupling cascade in derivative cardiomyocytes, and; (ii) simultaneously targeting multiple variants associated with inherited cardiac arrhythmic disorder into a pool of hiPSCs. STRAIGHT-IN offers a precise approach to generate genetically-matched panels of hiPSC lines efficiently and cost-effectively.

Aims: Long QT syndrome type 2 (LQT2) is caused by mutations in the gene KCNH2, encoding the hERG ion channel. Clinically, mild and severe phenotypes are associated with this cardiac channelopathy, complicating efforts to predict patient risk. The location of the mutation within KCNH2 contributes to this variable disease manifestation. Here we determined whether such phenotypic differences could be detected in cardiomyocytes derived from isogenic human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) genetically edited to harbour a range of KCNH2 mutations. Methods and Results: The hiPSC lines heterozygous for missense mutations either within the pore or tail region of the ion channel were generated using CRISPR-Cas9 editing and subsequently differentiated to cardiomyocytes (hiPSC-CMs) for functional assessment. Electrophysiological analysis confirmed the mutations prolonged the action potentials and field potentials of the hiPSC-CMs, with differences detected between the pore and tail region mutations when measured as paced 2D monolayers. This was also reflected in the cytosolic Ca2+ transients and contraction kinetics of the different lines. Pharmacological blocking of the hERG channel in the hiPSC-CMs also revealed that mutations in the pore-loop region conferred a greater susceptibility to arrhythmic events. Conclusion: These findings establish that subtle phenotypic differences related to the location of the KCNH2 mutation in LQT2 patients are reflected in hiPSC-CMs under genetically controlled conditions. Moreover, the results validate hiPSC-CMs as a strong candidate for evaluating the underlying severity of individual KCNH2 mutations in humans which could ultimately facilitate patient risk stratification. Translational Perspective: Clinical management of patients diagnosed with cardiac channelopathy diseases such as LQT2 is complicated by the variable disease phenotypes observed among mutation carriers, creating challenges for diagnosis, risk stratification and treatment. The genotype of the patient contributes to this clinical heterogeneity, with the influence of the mutation's location within KCNH2 on a patient's risk of a cardiac event being an example. Here we demonstrate that under stringently controlled genetic and experimental conditions, hiPSC-CMs are able to reflect these subtle genotype-phenotype differences, thereby providing new opportunities to stratify and potentially lessen sudden cardiac death risk amongst KCNH2 mutation carriers.