Human pluripotent stem cells (hPSCs) offer the potential to generate large numbers of functional cardiomyocytes from clonal and patient-specific cell sources. Here we show that temporal modulation of Wnt signaling is both essential and sufficient for efficient cardiac induction in hPSCs under defined, growth factor-free conditions. shRNA knockdown of β-catenin during the initial stage of hPSC differentiation fully blocked cardiomyocyte specification, whereas glycogen synthase kinase 3 inhibition at this point enhanced cardiomyocyte generation. Furthermore, sequential treatment of hPSCs with glycogen synthase kinase 3 inhibitors followed by inducible expression of β-catenin shRNA or chemical inhibitors of Wnt signaling produced a high yield of virtually (up to 98%) pure functional human cardiomyocytes from multiple hPSC lines. The robust ability to generate functional cardiomyocytes under defined, growth factor-free conditions solely by genetic or chemically mediated manipulation of a single developmental pathway should facilitate scalable production of cardiac cells suitable for research and regenerative applications.

The protocol described here efficiently directs human pluripotent stem cells (hPSCs) to functional cardiomyocytes in a completely defined, growth factor– and serum-free system by temporal modulation of regulators of canonical Wnt signaling. Appropriate temporal application of a glycogen synthase kinase 3 (GSK3) inhibitor combined with the expression of β-catenin shRNA or a chemical Wnt inhibitor is sufficient to produce a high yield (0.8–1.3 million cardiomyocytes per cm2) of virtually pure (80–98%) functional cardiomyocytes in 14 d from multiple hPSC lines without cell sorting or selection. Qualitative (immunostaining) and quantitative (flow cytometry) characterization of differentiated cells is described to assess the expression of cardiac transcription factors and myofilament proteins. Flow cytometry of BrdU incorporation or Ki67 expression in conjunction with cardiac sarcomere myosin protein expression can be used to determine the proliferative capacity of hPSC-derived cardiomyocytes. Functional human cardiomyocytes differentiated via these protocols may constitute a potential cell source for heart disease modeling, drug screening and cell-based therapeutic applications.

Human induced pluripotent stem (iPS) cells hold great promise for cardiovascular research and therapeutic applications, but the ability of human iPS cells to differentiate into functional cardiomyocytes has not yet been demonstrated. The aim of this study was to characterize the cardiac differentiation potential of human iPS cells generated using OCT4 , SOX2 , NANOG , and LIN28 transgenes compared to human embryonic stem (ES) cells. The iPS and ES cells were differentiated using the embryoid body (EB) method. The time course of developing contracting EBs was comparable for the iPS and ES cell lines, although the absolute percentages of contracting EBs differed. RT-PCR analyses of iPS and ES cell–derived cardiomyocytes demonstrated similar cardiac gene expression patterns. The pluripotency genes OCT4 and NANOG were downregulated with cardiac differentiation, but the downregulation was blunted in the iPS cell lines because of residual transgene expression. Proliferation of iPS and ES cell–derived cardiomyocytes based on 5-bromodeoxyuridine labeling was similar, and immunocytochemistry of isolated cardiomyocytes revealed indistinguishable sarcomeric organizations. Electrophysiology studies indicated that iPS cells have a capacity like ES cells for differentiation into nodal-, atrial-, and ventricular-like phenotypes based on action potential characteristics. Both iPS and ES cell–derived cardiomyocytes exhibited responsiveness to β-adrenergic stimulation manifest by an increase in spontaneous rate and a decrease in action potential duration. We conclude that human iPS cells can differentiate into functional cardiomyocytes, and thus iPS cells are a viable option as an autologous cell source for cardiac repair and a powerful tool for cardiovascular research.

Human embryonic stem (hES) cells can differentiate in vitro, forming embryoid bodies (EBs) composed of derivatives of all three embryonic germ layers. Spontaneously contracting outgrowths from these EBs contain cardiomyocytes (CMs); however, the types of human CMs and their functional properties are unknown. This study characterizes the contractions and action potentials (APs) from beating EB outgrowths cultured for 40 to 95 days. Spontaneous and electrical field-stimulated contractions were measured with video edge-detection microscopy. β-Adrenergic stimulation with 1.0 μmol/L isoproterenol resulted in a significant increase in contraction magnitude. Intracellular electrical recordings using sharp KCl microelectrodes in beating EB outgrowths revealed three distinct classes of APs: nodal-like, embryonic atrial-like, and embryonic ventricular-like. The APs were described as embryonic based on the relatively depolarized resting membrane potential and slow AP upstroke. Repeated impalements of an individual beating outgrowth revealed a reproducible AP morphology recorded from different cells, suggesting that each outgrowth is composed of a predominant cell type. Complex functional properties typical of cardiac muscle were observed in the hES cell-derived CMs including rate adaptation of AP duration and provoked early and delayed afterdepolarizations. Repolarization of the AP showed a significant role for I Kr based on E-4031 induced prolongation of AP duration as anticipated for human CMs. In conclusion, hES cells can differentiate into multiple types of CMs displaying functional properties characteristic of embryonic human cardiac muscle. Thus, hES provide a renewable source of distinct types of human cardiac myocytes for basic research, pharmacological testing, and potentially therapeutic applications.

Human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) can differentiate into functional cardiomyocytes; however, the electrophysiological properties of hiPSC-derived cardiomyocytes have yet to be fully characterized. We performed detailed electrophysiological characterization of highly pure hiPSC-derived cardiomyocytes. Action potentials (APs) were recorded from spontaneously beating cardiomyocytes using a perforated patch method and had atrial-, nodal-, and ventricular-like properties. Ventricular-like APs were more common and had maximum diastolic potentials close to those of human cardiac myocytes, AP durations were within the range of the normal human electrocardiographic QT interval, and APs showed expected sensitivity to multiple drugs (tetrodotoxin, nifedipine, and E4031). Early afterdepolarizations (EADs) were induced with E4031 and were bradycardia dependent, and EAD peak voltage varied inversely with the EAD take-off potential. Gating properties of seven ionic currents were studied including sodium ( I Na ), L-type calcium ( I Ca ), hyperpolarization-activated pacemaker ( I f ), transient outward potassium ( I to ), inward rectifier potassium ( I K1 ), and the rapidly and slowly activating components of delayed rectifier potassium ( I Kr and I Ks , respectively) current. The high purity and large cell numbers also enabled automated patch-clamp analysis. We conclude that these hiPSC-derived cardiomyocytes have ionic currents and channel gating properties underlying their APs and EADs that are quantitatively similar to those reported for human cardiac myocytes. These hiPSC-derived cardiomyocytes have the added advantage that they can be used in high-throughput assays, and they have the potential to impact multiple areas of cardiovascular research and therapeutic applications.

Background— Congenital long-QT syndrome (LQTS) is a primary arrhythmogenic syndrome stemming from perturbed cardiac repolarization. LQTS, which affects ≈1 in 3000 persons, is 1 of the most common causes of autopsy-negative sudden death in the young. Since the sentinel discovery of cardiac channel gene mutations in LQTS in 1995, hundreds of mutations in 8 LQTS susceptibility genes have been identified. All 8 LQTS genotypes represent primary cardiac channel defects (ie, ion channelopathy) except LQT4, which is a functional channelopathy because of mutations in ankyrin-B. Approximately 25% of LQTS remains unexplained pathogenetically. We have pursued a “final common pathway” hypothesis to elicit novel LQTS-susceptibility genes. With the recent observation that the LQT3-associated, SCN5A -encoded cardiac sodium channel localizes in caveolae, which are known membrane microdomains whose major component in the striated muscle is caveolin-3, we hypothesized that mutations in caveolin-3 may represent a novel pathogenetic mechanism for LQTS. Methods and Results— Using polymerase chain reaction, denaturing high-performance liquid chromatography, and direct DNA sequencing, we performed open reading frame/splice site mutational analysis on CAV3 in 905 unrelated patients referred for LQTS genetic testing. CAV3 mutations were engineered by site-directed mutagenesis and the molecular phenotype determined by transient heterologous expression into cell lines that stably express the cardiac sodium channel hNa v 1.5. We identified 4 novel mutations in CAV3 -encoded caveolin-3 that were absent in >1000 control alleles. Electrophysiological analysis of sodium current in HEK293 cells stably expressing hNa v 1.5 and transiently transfected with wild-type and mutant caveolin-3 demonstrated that mutant caveolin-3 results in a 2- to 3-fold increase in late sodium current compared with wild-type caveolin-3. Our observations are similar to the increased late sodium current associated with LQT3-associated SCN5A mutations. Conclusions— The present study reports the first CAV3 mutations in subjects with LQTS, and we provide functional data demonstrating a gain-of-function increase in late sodium current.

Electrophysiological remodeling of ion channels in heart failure causes action potential prolongation and plays a role in arrhythmia mechanism. The importance of down-regulation of potassium currents is well-known, but a role for Na current (INa) in heart failure is less well established. We studied INa in heart failure ventricular cells from a canine pacing model of heart failure and also from explanted failing human hearts. Peak INa density was significantly decreased by 39% and 57% in the dog model and in human heart failure, respectively. The kinetics of peak INa were not different in heart failure. Late INa was measured 750 ms after the initial depolarization as the saxitoxin (STX)-sensitive current and also as the current remaining after contaminating currents were blocked. Late INa as a percentage of the peak INa was significantly increased in both conditions. In dogs, STX sensitive late INa was 0.5 ± 0.1% n = 16 cells from eight normal hearts and 3.4 ± 1.4% n = 12 cells from seven failing hearts; in humans, it was 0.2 ± 0.1% n = 4 cells from two normal hearts and 2.4 ± 0.5% n = 10 cells from three human failing hearts (–40 mV). Quantitative measures of mRNA including RNase protection assays and real time quantitative PCR in the dog model showed no differences for different α subunit isoforms (NaV1.1, 1.3, 1.5) and for the β1 and β2 subunits. This suggests neither α subunit isoform switching nor altered β subunit expression is a mechanism for increased late INa. We conclude that a peak INa is decreased, and non-inactivating late INa is increased in heart failure and this may contribute to action potential prolongation and the generation of arrhythmia.

Rationale: Cardiomyocytes (CMs) differentiated from human pluripotent stem cells (PSCs) are increasingly being used for cardiovascular research, including disease modeling, and hold promise for clinical applications. Current cardiac differentiation protocols exhibit variable success across different PSC lines and are primarily based on the application of growth factors. However, extracellular matrix is also fundamentally involved in cardiac development from the earliest morphogenetic events, such as gastrulation. Objective: We sought to develop a more effective protocol for cardiac differentiation of human PSCs by using extracellular matrix in combination with growth factors known to promote cardiogenesis. Methods and Results: PSCs were cultured as monolayers on Matrigel, an extracellular matrix preparation, and subsequently overlayed with Matrigel. The matrix sandwich promoted an epithelial-to-mesenchymal transition as in gastrulation with the generation of N-cadherin-positive mesenchymal cells. Combining the matrix sandwich with sequential application of growth factors (Activin A, bone morphogenetic protein 4, and basic fibroblast growth factor) generated CMs with high purity (up to 98%) and yield (up to 11 CMs/input PSC) from multiple PSC lines. The resulting CMs progressively matured over 30 days in culture based on myofilament expression pattern and mitotic activity. Action potentials typical of embryonic nodal, atrial, and ventricular CMs were observed, and monolayers of electrically coupled CMs modeled cardiac tissue and basic arrhythmia mechanisms. Conclusions: Dynamic extracellular matrix application promoted epithelial–mesenchymal transition of human PSCs and complemented growth factor signaling to enable robust cardiac differentiation.

Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) hold promise for myocardial repair following injury, but preclinical studies in large animal models are required to determine optimal cell preparation and delivery strategies to maximize functional benefits and to evaluate safety. Here, we utilized a porcine model of acute myocardial infarction (MI) to investigate the functional impact of intramyocardial transplantation of hiPSC-derived cardiomyocytes, endothelial cells, and smooth muscle cells, in combination with a 3D fibrin patch loaded with insulin growth factor (IGF)-encapsulated microspheres. hiPSC-derived cardiomyocytes integrated into host myocardium and generated organized sarcomeric structures, and endothelial and smooth muscle cells contributed to host vasculature. Trilineage cell transplantation significantly improved left ventricular function, myocardial metabolism, and arteriole density, while reducing infarct size, ventricular wall stress, and apoptosis without inducing ventricular arrhythmias. These findings in a large animal MI model highlight the potential of utilizing hiPSC-derived cells for cardiac repair.

L-type Ca 2+ channels play a critical role in regulating Ca 2+ -dependent signaling in cardiac myocytes, including excitation-contraction coupling; however, the subcellular localization of cardiac L-type Ca 2+ channels and their regulation are incompletely understood. Caveolae are specialized microdomains of the plasmalemma rich in signaling molecules and supported by the structural protein caveolin-3 in muscle. Here we demonstrate that a subpopulation of L-type Ca 2+ channels is localized to caveolae in ventricular myocytes as part of a macromolecular signaling complex necessary for β 2 -adrenergic receptor (AR) regulation of I Ca,L . Immunofluorescence studies of isolated ventricular myocytes using confocal microscopy detected extensive colocalization of caveolin-3 and the major pore-forming subunit of the L-type Ca channel (Ca v 1.2). Immunogold electron microscopy revealed that these proteins colocalize in caveolae. Immunoprecipitation from ventricular myocytes using anti-Ca v 1.2 or anti-caveolin-3 followed by Western blot analysis showed that caveolin-3, Ca v 1.2, β 2 -AR (not β 1 -AR), G protein α s , adenylyl cyclase, protein kinase A, and protein phosphatase 2a are closely associated. To determine the functional impact of the caveolar-localized β 2 -AR/Ca v 1.2 signaling complex, β 2 -AR stimulation (salbutamol plus atenolol) of I Ca,L was examined in pertussis toxin-treated neonatal mouse ventricular myocytes. The stimulation of I Ca,L in response to β 2 -AR activation was eliminated by disruption of caveolae with 10 mM methyl β-cyclodextrin or by small interfering RNA directed against caveolin-3, whereas β 1 -AR stimulation (norepinephrine plus prazosin) of I Ca,L was not altered. These findings demonstrate that subcellular localization of L-type Ca 2+ channels to caveolar macromolecular signaling complexes is essential for regulation of the channels by specific signaling pathways.