Defined growth conditions are essential for many applications of human embryonic stem cells (hESC). Most defined media are presently used in combination with Matrigel, a partially defined extracellular matrix (ECM) extract from mouse sarcoma. Here, we defined ECM requirements of hESC by analyzing integrin expression and ECM production and determined integrin function using blocking antibodies. hESC expressed all major ECM proteins and corresponding integrins. We then systematically replaced Matrigel with defined medium supplements and ECM proteins. Cells attached efficiently to natural human vitronectin, fibronectin, and Matrigel but poorly to laminin + entactin and collagen IV. Integrin-blocking antibodies demonstrated that alphaVbeta5 integrins mediated adhesion to vitronectin, alpha5beta1 mediated adhesion to fibronectin, and alpha6beta1 mediated adhesion to laminin + entactin. Fibronectin in feeder cell-conditioned medium partially supported growth on all natural matrices, but in defined, nonconditioned medium only Matrigel or (natural and recombinant) vitronectin was effective. Recombinant vitronectin was the only defined functional alternative to Matrigel, supporting sustained self-renewal and pluripotency in three independent hESC lines.

Recent withdrawals of prescription drugs from clinical use because of unexpected side effects on the heart have highlighted the need for more reliable cardiac safety pharmacology assays. Block of the human Ether-a-go go Related Gene (hERG) ion channel in particular is associated with life-threatening arrhythmias, such as Torsade de Pointes (TdP). Here we investigated human cardiomyocytes derived from pluripotent (embryonic) stem cells (hESC) as a renewable, scalable, and reproducible system on which to base cardiac safety pharmacology assays. Analyses of extracellular field potentials in hESC-derived cardiomyocytes (hESC-CM) and generation of derivative field potential duration (FPD) values showed dose-dependent responses for 12 cardiac and noncardiac drugs. Serum levels in patients of drugs with known effects on QT interval overlapped with prolonged FPD values derived from hESC-CM, as predicted. We thus propose hESC-CM FPD prolongation as a safety criterion for preclinical evaluation of new drugs in development. This is the first study in which dose responses of such a wide range of compounds on hESC-CM have been generated and shown to be predictive of clinical effects. We propose that assays based on hESC-CM could complement or potentially replace some of the preclinical cardiac toxicity screening tests currently used for lead optimization and further development of new drugs.