Cardiac tissues generated from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) can serve as platforms for patient-specific studies of physiology and disease1–6. However, the predictive power of these models is presently limited by the immature state of the cells1,2,5,6. Here we show that this fundamental limitation can be overcome if cardiac tissues are formed from early-stage iPSC-derived cardiomyocytes soon after the initiation of spontaneous contractions and are subjected to physical conditioning with increasing intensity over time. After only four weeks of culture, for all iPSC lines studied, such tissues displayed adult-like gene expression profiles, remarkably organized ultrastructure, physiological sarcomere length (2.2 µm) and density of mitochondria (30%), the presence of transverse tubules, oxidative metabolism, a positive force–frequency relationship and functional calcium handling. Electromechanical properties developed more slowly and did not achieve the stage of maturity seen in adult human myocardium. Tissue maturity was necessary for achieving physiological responses to isoproterenol and recapitulating pathological hypertrophy, supporting the utility of this tissue model for studies of cardiac development and disease. A tissue culture system that provides an increasing intensity of electromechanical stimulation over time enables an in vitro model of cardiac tissue derived from human induced pluripotent stem cells to develop many of the characteristics of adult cardiac tissue.

Tissue engineering using cardiomyocytes derived from human pluripotent stem cells holds a promise to revolutionize drug discovery, but only if limitations related to cardiac chamber specification and platform versatility can be overcome. We describe here a scalable tissue-cultivation platform that is cell source agnostic and enables drug testing under electrical pacing. The plastic platform enabled on-line noninvasive recording of passive tension, active force, contractile dynamics, and Ca2+ transients, as well as endpoint assessments of action potentials and conduction velocity. By combining directed cell differentiation with electrical field conditioning, we engineered electrophysiologically distinct atrial and ventricular tissues with chamber-specific drug responses and gene expression. We report, for the first time, engineering of heteropolar cardiac tissues containing distinct atrial and ventricular ends, and we demonstrate their spatially confined responses to serotonin and ranolazine. Uniquely, electrical conditioning for up to 8 months enabled modeling of polygenic left ventricular hypertrophy starting from patient cells.

Organs-on-chips (OoCs) are systems containing engineered or natural miniature tissues grown inside microfluidic chips. To better mimic human physiology, the chips are designed to control cell microenvironments and maintain tissue-specific functions. Combining advances in tissue engineering and microfabrication, OoCs have gained interest as a next-generation experimental platform to investigate human pathophysiology and the effect of therapeutics in the body. There are as many examples of OoCs as there are applications, making it difficult for new researchers to understand what makes one OoC more suited to an application than another. This Primer is intended to give an introduction to the aspects of OoC that need to be considered when developing an application-specific OoC. The Primer covers guiding principles and considerations to design, fabricate and operate an OoC, as well as subsequent assaying techniques to extract biological information from OoC devices. Alongside this is a discussion of current and future applications of OoC technology, to inform design and operational decisions during the implementation of OoC systems. Organs-on-chips are microfluidic systems containing miniature tissues with the aim of mimicking human physiology for a range of biomedical and therapeutic applications. Leung, de Haan et al. report practical tips to inform design and operational decisions during the implementation of organ-on-a-chip systems.