ABSTRACT Cardiovascular diseases remain the leading cause of death worldwide; hence there is an increasing focus on developing physiologically relevant in vitro cardiovascular tissue models suitable for studying personalized medicine and pre-clinical tests. Despite recent advances, models that reproduce both tissue complexity and maturation are still limited. We have established a scaffold-free protocol to generate multicellular, beating and self-organized human cardiac organoids (hCO) in vitro from hiPSCs that can be cultured for long term. This is achieved by differentiation of hiPSC in 2D monolayer culture towards cardiovascular lineage, followed by further aggregation on low-attachment culture dishes in 3D. The generated human cardiac organoids (hCOs) containing multiple cell types that physiologically compose the heart, gradually self-organize and beat without external stimuli for more than 50 days. We have shown that 3D hCOs display improved cardiac specification, survival and maturation as compared to standard monolayer cardiac differentiation. We also confirmed the functionality of hCOs by their response to cardioactive drugs in long term culture. Furthermore, we demonstrated that hCOs can be used to study chemotherapy-induced cardiotoxicity. This study could help to develop more physiologically-relevant cardiac tissue models, and represent a powerful platform for future translational research in cardiovascular biology.

Cardiac fibrosis occurs following insults to the myocardium and is characterized by the abnormal accumulation of non-compliant extracellular matrix (ECM), which compromises cardiomyocyte contractile activity and eventually leads to heart failure. This phenomenon is driven by the activation of cardiac fibroblasts (cFbs) to myofibroblasts and results in changes in ECM biochemical, structural and mechanical properties. The lack of predictive in vitro models of heart fibrosis has so far hampered the search for innovative treatments, as most of the cellular-based in vitro reductionist models do not take into account the leading role of ECM cues in driving the progression of the pathology. Here, we devised a single-step decellularization protocol to obtain and thoroughly characterize the biochemical and micro-mechanical properties of the ECM secreted by activated cFbs differentiated from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). We activated iPSC-derived cFbs to the myofibroblast phenotype by tuning basic fibroblast growth factor (bFGF) and transforming growth factor beta 1 (TGF-β1) signalling and confirmed that activated cells acquired key features of myofibroblast phenotype, like SMAD2/3 nuclear shuttling, the formation of aligned alpha-smooth muscle actin (α−SMA)-rich stress fibres and increased focal adhesions (FAs) assembly. Next, we used Mass Spectrometry, nanoindentation, scanning electron and confocal microscopy to unveil the characteristic composition and the visco-elastic properties of the abundant, collagen-rich ECM deposited by cardiac myofibroblasts in vitro. Finally, we demonstrated that the fibrotic ECM activates mechanosensitive pathways in iPSC-derived cardiomyocytes, impacting on their shape, sarcomere assembly, phenotype, and calcium handling properties. We thus propose human bio-inspired decellularized matrices as animal-free, isogenic cardiomyocyte culture substrates recapitulating key pathophysiological changes occurring at the cellular level during cardiac fibrosis.

Triple-negative breast cancer (TNBC) is the most aggressive subtype of breast cancer and is associated with high cell plasticity, recurrence, and metastatic rate. During epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), cancer cells display EMT plasticity, or partial-EMT features, which are required for breast cancer metastasis, such as collective migration. ERK3 has been implicated in promoting migration and invasion of breast cancer, but the mechanisms remain elusive. Here, we investigated ERK3 expression across patient-derived datasets of breast cancer and established its association with aggressive breast cancer phenotypes and poor clinical outcomes. Leveraging the hypothesis that ERK3 contributes to TNBC progression by supporting a partial-EMT state, we showed that ERK3 is essential in different steps of the metastatic process, especially by enabling collective migration but also by modulating cell-extracellular matrix adhesion, anchorage-independent growth, extravasation and colonization. In conclusion, our results demonstrate that ERK3 contributes to TNBC progression and potentially metastasis by promoting EMT plasticity and collective migration.

Bio-nano interactions have been extensively explored in nanomedicine to develop selective delivery strategies, reduce systemic toxicity, and minimize therapeutic dosing requirements. To enhance the delivery of nanocarriers to cancer cells and improve the therapeutic efficiency and clinical translation of nanomedicines, numerous nanomaterials with diverse and tunable properties have been developed. However, the limited clinical translation of nanoparticle-based therapies, largely due to issues associated with poor targeting and therapeutic delivery, requires a deeper understanding of the biological phenomena underlying cell-nanoparticle interactions. In this context, herein we investigate the molecular and cellular mechanobiology parameters that control such interactions. We demonstrate that the pharmacological inhibition or the genetic ablation of the key mechanosensitive component of the Hippo pathway, i.e., yes-associated protein, enhances nanoparticle internalization by 1.5-fold. Importantly, this phenomenon occurs independently of nanoparticle properties, such as size, or cell properties such as surface area, substrate adhesion, and stiffness. Our study reveals that the internalization of nanoparticles in target cells can be controlled by modulating cell mechanosensing pathways, potentially ultimately enhancing nanoparticle delivery and nanotherapy specificity.

Bio–nano interactions have been extensively explored in nanomedicine to develop selective delivery strategies and reduce systemic toxicity. To enhance the delivery of nanocarriers to cancer cells and improve the therapeutic efficiency, different nanomaterials have been developed. However, the limited clinical translation of nanoparticle-based therapies, largely due to issues associated with poor targeting, requires a deeper understanding of the biological phenomena underlying cell–nanoparticle interactions. In this context, we investigate the molecular and cellular mechanobiology parameters that control such interactions. We demonstrate that the pharmacological inhibition or the genetic ablation of the key mechanosensitive component of the Hippo pathway, i.e., yes-associated protein, enhances nanoparticle internalization by 1.5-fold. Importantly, this phenomenon occurs independently of nanoparticle properties, such as size, or cell properties such as surface area and stiffness. Our study reveals that the internalization of nanoparticles in target cells can be controlled by modulating cell mechanosensing pathways, potentially enhancing nanotherapy specificity.

Abstract Cardiac fibrosis occurs following insults to the myocardium and is characterized by the abnormal accumulation of non-compliant extracellular matrix (ECM), which compromises cardiomyocyte contractile activity and eventually leads to heart failure. This phenomenon is driven by the differentiation of cardiac fibroblasts (cFbs) into myofibroblasts and results in changes in ECM biochemical, structural and mechanical properties. The lack of predictive in vitro models of heart fibrosis has so far hampered the search for innovative treatments. Here, we devised a single-step decellularization protocol to obtain and thoroughly characterize the biochemical and micro-mechanical properties of the ECM secreted by activated cFbs differentiated from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). We activated iPSC-derived cFbs to the myofibroblast phenotype by tuning basic fibroblast growth factor (bFGF) and transforming growth factor beta 1 (TGF-β1) signalling and confirmed that activated cells acquired key features of myofibroblast phenotype, like SMAD2/3 nuclear shuttling, the formation of aligned alpha-smooth muscle actin (α−SMA)-rich stress fibres and increased focal adhesions (FAs) assembly. Next, we used Mass Spectrometry, nanoindentation, scanning electron and confocal microscopy to unveil the characteristic composition and the visco-elastic properties of the abundant, collagen-rich ECM deposited by cardiac myofibroblasts in vitro . Finally, we demonstrated that the fibrotic ECM activates mechanosensitive pathways in iPSC-derived cardiomyocytes, impacting on their shape, sarcomere alignment, phenotype, and calcium handling properties. We thus propose human bio-inspired decellularized matrices as animal-free, isogenic cardiomyocyte culture substrates recapitulating key pathophysiological changes occurring at the cellular level during cardiac fibrosis.