Analyzing contractile force, the most important and best understood function of cardiomyocytes in vivo is not established in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM). This study describes the generation of 3D, strip-format, force-generating engineered heart tissues (EHT) from hiPSC-CM and their physiological and pharmacological properties. CM were differentiated from hiPSC by a growth factor-based three-stage protocol. EHTs were generated and analyzed histologically and functionally. HiPSC-CM in EHTs showed well-developed sarcomeric organization and alignment, and frequent mitochondria. Systematic contractility analysis (26 concentration-response curves) reveals that EHTs replicated canonical response to physiological and pharmacological regulators of inotropy, membrane- and calcium-clock mediators of pacemaking, modulators of ion-channel currents, and proarrhythmic compounds with unprecedented precision. The analysis demonstrates a high degree of similarity between hiPSC-CM in EHT format and native human heart tissue, indicating that human EHTs are useful for preclinical drug testing and disease modeling.

Generating human skeletal muscle models is instrumental for investigating muscle pathology and therapy. Here, we report the generation of three-dimensional (3D) artificial skeletal muscle tissue from human pluripotent stem cells, including induced pluripotent stem cells (iPSCs) from patients with Duchenne, limb-girdle, and congenital muscular dystrophies. 3D skeletal myogenic differentiation of pluripotent cells was induced within hydrogels under tension to provide myofiber alignment. Artificial muscles recapitulated characteristics of human skeletal muscle tissue and could be implanted into immunodeficient mice. Pathological cellular hallmarks of incurable forms of severe muscular dystrophy could be modeled with high fidelity using this 3D platform. Finally, we show generation of fully human iPSC-derived, complex, multilineage muscle models containing key isogenic cellular constituents of skeletal muscle, including vascular endothelial cells, pericytes, and motor neurons. These results lay the foundation for a human skeletal muscle organoid-like platform for disease modeling, regenerative medicine, and therapy development.

Sarcomeric gene mutations frequently underlie hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a prevalent and complex condition leading to left ventricle thickening and heart dysfunction. We evaluated isogenic genome-edited human pluripotent stem cell-cardiomyocytes (hPSC-CM) for their validity to model, and add clarity to, HCM. CRISPR/Cas9 editing produced 11 variants of the HCM-causing mutation c.C9123T-MYH7 [(p.R453C-β-myosin heavy chain (MHC)] in 3 independent hPSC lines. Isogenic sets were differentiated to hPSC-CMs for high-throughput, non-subjective molecular and functional assessment using 12 approaches in 2D monolayers and/or 3D engineered heart tissues. Although immature, edited hPSC-CMs exhibited the main hallmarks of HCM (hypertrophy, multi-nucleation, hypertrophic marker expression, sarcomeric disarray). Functional evaluation supported the energy depletion model due to higher metabolic respiration activity, accompanied by abnormalities in calcium handling, arrhythmias, and contraction force. Partial phenotypic rescue was achieved with ranolazine but not omecamtiv mecarbil, while RNAseq highlighted potentially novel molecular targets. Our holistic and comprehensive approach showed that energy depletion affected core cardiomyocyte functionality. The engineered R453C-βMHC-mutation triggered compensatory responses in hPSC-CMs, causing increased ATP production and αMHC to energy-efficient βMHC switching. We showed that pharmacological rescue of arrhythmias was possible, while MHY7: MYH6 and mutant: wild-type MYH7 ratios may be diagnostic, and previously undescribed lncRNAs and gene modifiers are suggestive of new mechanisms.

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.