Regeneration of the myocardium by transplantation of cardiomyocytes is an emerging therapeutic strategy. Human embryonic stem cells (HESC) form cardiomyocytes readily but until recently at low efficiency, so that preclinical studies on transplantation in animals are only just beginning. Here, we show the results of the first long-term (12 weeks) analysis of the fate of HESC-derived cardiomyocytes transplanted intramyocardially into healthy, immunocompromised (NOD-SCID) mice and in NOD-SCID mice that had undergone myocardial infarction (MI). Transplantation of mixed populations of differentiated HESC containing 20–25% cardiomyocytes in control mice resulted in rapid formation of grafts in which the cardiomyocytes became organized and matured over time and the noncardiomyocyte population was lost. Grafts also formed in mice that had undergone MI. Four weeks after transplantation and MI, this resulted in significant improvement in cardiac function measured by magnetic resonance imaging. However, at 12 weeks, this was not sustained despite graft survival. This suggested that graft size was still limiting despite maturation and organization of the transplanted cells. More generally, the results argued for requiring a minimum of 3 months follow-up in studies claiming to observe improved cardiac function, independent of whether HESC or other (adult) cell types are used for transplantation.

Left ventricular (LV) remodeling leads to congestive heart failure and is a main determinant of morbidity and mortality following myocardial infarction. Therapeutic options to prevent LV remodeling are limited, which necessitates the exploration of alternative therapeutic targets. Toll-like receptors (TLRs) serve as pattern recognition receptors within the innate immune system. Activation of TLR4 results in an inflammatory response and is involved in extracellular matrix degradation, both key processes of LV remodeling following myocardial infarction. To establish the role of TLR4 in postinfarct LV remodeling, myocardial infarction was induced in wild-type BALB/c mice and TLR4-defective C3H-Tlr4(LPS-d) mice. Without affecting infarct size, TLR4 defectiveness reduced the extent of LV remodeling (end-diastolic volume: 103.7+/-6.8 microL versus 128.5+/-5.7 microL; P<0.01) and preserved systolic function (ejection fraction: 28.2+/-3.1% versus 16.6+/-1.3%; P<0.01), as assessed by MRI. In the noninfarcted area, interstitial fibrosis, and myocardial hypertrophy were reduced in C3H-Tlr4(LPS-d) mice. In the infarcted area, however, collagen density was increased, which was accompanied by fewer macrophages, reduced inflammation regulating cytokine expression levels (interleukin [IL]-1alpha, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-17, tumor necrosis factor-alpha, interferon-gamma, granulocyte/macrophage colony-stimulating factor), and reduced matrix metalloproteinase-2 (4684+/-515 versus 7573+/-611; P=0.002) and matrix metalloproteinase-9 activity (76.0+/-14.3 versus 168.0+/-36.2; P=0.027). These data provide direct evidence for a causal role of TLR4 in postinfarct maladaptive LV remodeling, probably via inflammatory cytokine production and matrix degradation. TLR4 may therefore constitute a novel target in the treatment of ischemic heart failure.

Objective— To improve regeneration of the injured myocardium, it is necessary to enhance the intrinsic capacity of the heart to regenerate itself and/or replace the damaged tissue by cell transplantation. Cardiomyocyte progenitor cells (CMPCs) are a promising cell population, easily expanded and efficiently differentiated into beating cardiomyocytes. Recently, several studies have demonstrated that microRNAs (miRNAs) are important for stem cell maintenance and differentiation via translational repression. We hypothesize that miRNAs are also involved in proliferation/differentiation of the human CMPCs in vitro. Methods and Results— Human fetal CMPCs were isolated, cultured, and efficiently differentiated into beating cardiomyocytes. miRNA expression profiling demonstrated that muscle-specific miR-1 and miR-499 were highly upregulated in differentiated cells. Transient transfection of miR-1 and -499 in CMPC reduced proliferation rate by 25% and 15%, respectively, and enhanced differentiation into cardiomyocytes in human CMPCs and embryonic stem cells, likely via the repression of histone deacetylase 4 or Sox6. Histone deacetylase 4 and Sox6 protein levels were reduced, and small interference RNA (siRNA)-mediated knockdown of Sox6 strongly induced myogenic differentiation. Conclusion— miRNAs regulate the proliferation of human CMPC and their differentiation into cardiomyocytes. By modulating miR-1 and -499 expression levels, human CMPC function can be altered and differentiation directed, thereby enhancing cardiomyogenic differentiation.