Directed differentiation protocols enable derivation of cardiomyocytes from human pluripotent stem cells (hPSCs) and permit engineering of human myocardium in vitro. However, hPSC-derived cardiomyocytes are reflective of very early human development, limiting their utility in the generation of in vitro models of mature myocardium. Here we describe a platform that combines three-dimensional cell cultivation with electrical stimulation to mature hPSC-derived cardiac tissues. We used quantitative structural, molecular and electrophysiological analyses to explain the responses of immature human myocardium to electrical stimulation and pacing. We demonstrated that the engineered platform allows for the generation of three-dimensional, aligned cardiac tissues (biowires) with frequent striations. Biowires submitted to electrical stimulation had markedly increased myofibril ultrastructural organization, elevated conduction velocity and improved both electrophysiological and Ca(2+) handling properties compared to nonstimulated controls. These changes were in agreement with cardiomyocyte maturation and were dependent on the stimulation rate.

We report the fabrication of a scaffold (hereafter referred to as AngioChip) that supports the assembly of parenchymal cells on a mechanically tunable matrix surrounding a perfusable, branched, three-dimensional microchannel network coated with endothelial cells. The design of AngioChip decouples the material choices for the engineered vessel network and for cell seeding in the parenchyma, enabling extensive remodelling while maintaining an open-vessel lumen. The incorporation of nanopores and micro-holes in the vessel walls enhances permeability, and permits intercellular crosstalk and extravasation of monocytes and endothelial cells on biomolecular stimulation. We also show that vascularized hepatic tissues and cardiac tissues engineered by using AngioChips process clinically relevant drugs delivered through the vasculature, and that millimetre-thick cardiac tissues can be engineered in a scalable manner. Moreover, we demonstrate that AngioChip cardiac tissues implanted with direct surgical anastomosis to the femoral vessels of rat hindlimbs establish immediate blood perfusion. Biodegradable, perfusable scaffolds are able to generate both in vitro cardiac and hepatic vascularized tissue models and in vivo implants for direct surgical anastomosis.

Significance Robust and predictive in vitro models of human cardiac tissue function could have transformative impact on our ability to test new drugs and understand cardiac disease. Despite significant effort, the generation of high-fidelity adult-like human cardiac tissue analogs remains challenging. In this paper, we systematically explore the design criteria for pluripotent stem cell-derived engineered cardiac tissue. Parameters such as biomechanical stress during tissue remodeling, input-cell composition, electrical stimulation, and tissue geometry are evaluated. Our results suggest that a specified combination of a 3D matrix-based microenvironment, uniaxial mechanical stress, and mixtures of cardiomyocytes and fibroblasts improves the performance and maturation state of in vitro engineered cardiac tissue.

Highlights•hESC-CM transplantation partially remuscularizes the infarcted pig heart•hESC-CM recipients show frequent tachyarrhythmias at early time points•Graft-related arrhythmias arise from focal mechanisms rather than macro-reentrySummaryHuman embryonic stem cell-derived cardiomyocytes (hESC-CMs) show considerable promise for regenerating injured hearts, and we therefore tested their capacity to stably engraft in a translationally relevant preclinical model, the infarcted pig heart. Transplantation of immature hESC-CMs resulted in substantial myocardial implants within the infarct scar that matured over time, formed vascular networks with the host, and evoked minimal cellular rejection. While arrhythmias were rare in infarcted pigs receiving vehicle alone, hESC-CM recipients experienced frequent monomorphic ventricular tachycardia before reverting back to normal sinus rhythm by 4 weeks post transplantation. Electroanatomical mapping and pacing studies implicated focal mechanisms, rather than macro-reentry, for these graft-related tachyarrhythmias as evidenced by an abnormal centrifugal pattern with earliest electrical activation in histologically confirmed graft tissue. These findings demonstrate the suitability of the pig model for the preclinical development of a hESC-based cardiac therapy and provide new insights into the mechanistic basis of electrical instability following hESC-CM transplantation.

Abstract The ability to generate human pluripotent stem cell‐derived cell types at sufficiently high numbers and in a reproducible manner is fundamental for clinical and biopharmaceutical applications. Current experimental methods for the differentiation of pluripotent cells such as human embryonic stem cells (hESC) rely on the generation of heterogeneous aggregates of cells, also called “embryoid bodies” (EBs), in small scale static culture. These protocols are typically (1) not scalable, (2) result in a wide range of EB sizes and (3) expose cells to fluctuations in physicochemical parameters. With the goal of establishing a robust bioprocess we first screened different scalable suspension systems for their ability to support the growth and differentiation of hESCs. Next homogeneity of initial cell aggregates was improved by employing a micro‐printing strategy to generate large numbers of size‐specified hESC aggregates. Finally, these technologies were integrated into a fully controlled bioreactor system and the impact of oxygen concentration was investigated. Our results demonstrate the beneficial effects of stirred bioreactor culture, aggregate size‐control and hypoxia (4% oxygen tension) on both cell growth and cell differentiation towards cardiomyocytes. QRT‐PCR data for markers such as Brachyury, LIM domain homeobox gene Isl‐1, Troponin T and Myosin Light Chain 2v, as well as immunohistochemistry and functional analysis by response to chronotropic agents, documented the impact of these parameters on cardiac differentiation. This study provides an important foundation towards the robust generation of clinically relevant numbers of hESC derived cells. Biotechnol. Bioeng. 2009;102: 493–507. © 2008 Wiley Periodicals, Inc.

Although it has been observed that aggregate size affects cardiac development, an incomplete understanding of the cellular mechanisms underlying human pluripotent stem cell-derived cardiomyogenesis has limited the development of robust defined-condition cardiac cell generation protocols. Our objective was thus to elucidate cellular and molecular mechanisms underlying the endogenous control of human embryonic stem cell (hESC) cardiac tissue development, and to test the hypothesis that hESC aggregate size influences extraembryonic endoderm (ExE) commitment and cardiac inductive properties. hESC aggregates were generated with 100, 1000, or 4000 cells per aggregate using microwells. The frequency of endoderm marker (FoxA2 and GATA6)-expressing cells decreased with increasing aggregate size during early differentiation. Cardiogenesis was maximized in aggregates initiated from 1000 cells, with frequencies of 0.49±0.06 cells exhibiting a cardiac progenitor phenotype (KDRlow/C-KITneg) on day 5 and 0.24±0.06 expressing cardiac Troponin T on day 16. A direct relationship between ExE and cardiac differentiation efficiency was established by forming aggregates with varying ratios of SOX7 (a transcription factor required for ExE development) overexpressing or knockdown hESCs to unmanipulated hESCs. We demonstrate, in a defined, serum-free cardiac induction system, that robust and efficient cardiac differentiation is a function of endogenous ExE cell concentration, a parameter that can be directly modulated by controlling hESC aggregate size.

Embryonic stem cell (ESC) derivatives are a promising cell source for cardiac cell therapy. Mechanistic studies upon cell injection in conventional animal models are limited by inefficient delivery and poor cell survival. As an alternative, we have used an engineered heart tissue (EHT) based on neonatal rat cardiomyocytes (CMs) cultivated with electrical field stimulation as an in vitro model to study cell injection. We injected (0.001, 0.01, and 0.1 million) and tracked (by qPCR and histology) undifferentiated yellow-fluorescent protein transgenic mouse ESCs and Flk1 + /PDGFRα+ cardiac progenitor (CPs) cells, to investigate the effect of the cardiac environment on cell differentiation, as well as to test whether our in vitro model system could recapitulate the formation of teratoma-like structures commonly observed upon in vivo ESC injection. By 8 days post-injection, ESCs were spatially segregated from the cardiac cell population; however, ESC injection increased survival of CMs. The presence of ESCs blocked electrical conduction through the tissue, resulting in a 46% increase in the excitation threshold. Expression of mouse cardiac troponin I, was markedly increased in CP injected constructs compared to ESC injected constructs at all time points and cell doses tested. As early as 2 weeks, epithelial and ganglion-like structures were observed in ESC injected constructs. By 4 weeks of ESC injection, teratoma-like structures containing neural, epithelial, and connective tissue were observed in the constructs. Non-cardiac structures were observed in the CP injected constructs only after extended culture (4 weeks) and only at high cell doses, suggesting that these cells require further enrichment or differentiation prior to transplantation. Our data indicate that the cardiac environment of host tissue and electrical field stimulation did not preferentially guide the differentiation of ESCs towards the cardiac lineage. In the same environment, injection of CP resulted in a more robust cardiac differentiation than injection of ESC. Our data demonstrate that the model-system developed herein can be used to study the functional effects of candidate stem cells on the host myocardium, as well as to measure the residual activity of undifferentiated cells present in the mixture.

Quantifying the regional frequency variation in ventricular fibrillation (VF) may lead to focal strategies in treating human VF. We hypothesized that during human VF there are quantifiable regional frequency variations in the ventricles and they relate to underlying fixed myocardial substrate. In eight myopathic human hearts, we studied 35 VF episodes. The electrograms during VF were acquired simultaneously from the epicardium and endocardium using 2 electrode arrays each consisting of 112 electrodes. Regional characterization was performed using a ratio parameter derived from the dominant frequency analysis of the electrograms. The findings were related to the anatomical substrate using bipolar voltage maps. The results of the analysis indicate that LV had a larger dominant frequency (DF) span than RV (p=0.0111) while there was no significant difference (p=0.1488) in the DF span between LV freewall (FW) and septum (SE). Correlation of areas of abnormal myocardium with the dominant frequency feature matched only in 50% of the cases indicating that ion channel heterogeneity and time-varying physiological factors may play an important role in maintaining VF.

Background We recently demonstrated that acute administration of ibrutinib, a Bruton's tyrosine kinase inhibitor used in chemotherapy for blood malignancies, increases ventricular arrhythmia (VA) vulnerability. A pathway of ibrutinib‐induced vulnerability to VA that can be modulated for cardioprotection remains unclear. Methods and Results The effects of ibrutinib on cardiac electrical activity and Ca 2+ dynamics were investigated in Langendorff‐perfused hearts using optical mapping. We also conducted Western blotting analysis to evaluate the impact of ibrutinib on various regulatory and Ca 2+ ‐handling proteins in rat cardiac tissues. Treatment with ibrutinib (10 mg/kg per day) for 4 weeks was associated with an increased VA inducibility (72.2%±6.3% versus 38.9±7.0% in controls, P <0.002) and shorter action potential durations during pacing at various frequencies ( P <0.05). Ibrutinib also decreased heart rate thresholds for beat–to–beat duration alternans of the cardiac action potential ( P <0.05). Significant changes in myocardial Ca 2+ transients included lower amplitude alternans ratios ( P <0.05), longer times‐to‐peak ( P <0.05), and greater spontaneous intracellular Ca 2+ elevations ( P <0.01). We also found lower abundance and phosphorylation of myocardial AMPK (5′‐adenosine monophosphate‐activated protein kinase), indicating reduced AMPK activity in hearts after ibrutinib treatment. An acute treatment with the AMPK activator 5‐aminoimidazole‐4‐carboxamide‐1‐β‐D‐ribofuranoside ameliorated abnormalities in action potential and Ca 2+ dynamics, and significantly reduced VA inducibility (37.1%±13.4% versus 72.2%±6.3% in the absence of 5‐aminoimidazole‐4‐carboxamide‐1‐β‐D‐ribofuranoside, P <0.05) in hearts from ibrutinib‐treated rats. Conclusions VA vulnerability inflicted by ibrutinib may be mediated in part by an impairment of myocardial AMPK activity. Pharmacological activation of AMPK may be a protective strategy against ibrutinib‐induced cardiotoxicity.

Sympathetic hyperactivity via spatially dense adrenergic stimulation may create pro-arrhythmic substrates even without structural remodelling. However, the effect of sympathetic hyperactivity on arrhythmic activity, such as rotors, is unknown. Using simulations, we examined the effects of gradually increasing the spatial density of adrenergic stimulation (AS) in atrial sheets on rotors. We compared their characteristics against rotors hosted in atrial sheets with increasing spatial density of minimally conductive (MC) elements to simulate structural remodelling due to injury or disease. We generated rotors using an S1-S2 stimulation protocol. Then, we created phase maps to identify phase singularities and map their trajectory over time. We measured each rotor's duration (s), angular speed (rad/s), and spatiotemporal organization. We demonstrated that atrial sheets with increased AS spatial densities could maintain rotors longer than with MC elements (2.6 ± 0.1 s vs. 1.5 ± 0.2 s, p<0.001). Moreover, rotors have higher angular speed (70 ± 7 rads/s vs. 60 ± 15 rads/s, p<0.05) and better spatiotemporal organization (0.56 ± 0.05 vs. 0.58 ± 0.18, p<0.05) in atrial sheets with less than 25% AS elements compared to MC elements. Our findings may help elucidate electrophysiological potential alterations in atrial substrates due to sympathetic hyperactivity, particularly among individuals with autonomic derangements caused by chronic distress.