Background Cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC-CMs) have great potential as a cell source for therapeutic applications such as regenerative medicine, disease modeling, drug screening, and toxicity testing. This potential is limited, however, by the immature state of the cardiomyocytes acquired using current protocols. Tri-iodo-l-thyronine (T3) is a growth hormone that is essential for optimal heart growth. In this study, we investigated the effect of T3 on hiPSC-CM maturation. Methods and results A one-week treatment with T3 increased cardiomyocyte size, anisotropy, and sarcomere length. T3 treatment was associated with reduced cell cycle activity, manifest as reduced DNA synthesis and increased expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p21. Contractile force analyses were performed on individual cardiomyocytes using arrays of microposts, revealing an almost two-fold higher force per-beat after T3 treatment and also an enhancement in contractile kinetics. This improvement in force generation was accompanied by an increase in rates of calcium release and reuptake, along with a significant increase in sarcoendoplasmic reticulum ATPase expression. Finally, although mitochondrial genomes were not numerically increased, extracellular flux analysis showed a significant increase in maximal mitochondrial respiratory capacity and respiratory reserve capability after T3 treatment. Conclusions Using a broad spectrum of morphological, molecular, and functional parameters, we conclude that T3 is a driver for hiPSC-CM maturation. T3 treatment may enhance the utility of hiPSC-CMs for therapy, disease modeling, or drug/toxicity screens.

In metazoans, transition from fetal to adult heart is accompanied by a switch in energy metabolism-glycolysis to fatty acid oxidation. The molecular factors regulating this metabolic switch remain largely unexplored. We first demonstrate that the molecular signatures in 1-year (y) matured human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes (hESC-CMs) are similar to those seen in in vivo-derived mature cardiac tissues, thus making them an excellent model to study human cardiac maturation. We further show that let-7 is the most highly up-regulated microRNA (miRNA) family during in vitro human cardiac maturation. Gain- and loss-of-function analyses of let-7g in hESC-CMs demonstrate it is both required and sufficient for maturation, but not for early differentiation of CMs. Overexpression of let-7 family members in hESC-CMs enhances cell size, sarcomere length, force of contraction, and respiratory capacity. Interestingly, large-scale expression data, target analysis, and metabolic flux assays suggest this let-7-driven CM maturation could be a result of down-regulation of the phosphoinositide 3 kinase (PI3K)/AKT protein kinase/insulin pathway and an up-regulation of fatty acid metabolism. These results indicate let-7 is an important mediator in augmenting metabolic energetics in maturing CMs. Promoting maturation of hESC-CMs with let-7 overexpression will be highly significant for basic and applied research.

Although human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) have emerged as a novel platform for heart regeneration, disease modeling, and drug screening, their immaturity significantly hinders their application. A hallmark of postnatal cardiomyocyte maturation is the metabolic substrate switch from glucose to fatty acids. We hypothesized that fatty acid supplementation would enhance hPSC-CM maturation. Fatty acid treatment induces cardiomyocyte hypertrophy and significantly increases cardiomyocyte force production. The improvement in force generation is accompanied by enhanced calcium transient peak height and kinetics, and by increased action potential upstroke velocity and membrane capacitance. Fatty acids also enhance mitochondrial respiratory reserve capacity. RNA sequencing showed that fatty acid treatment upregulates genes involved in fatty acid β-oxidation and downregulates genes in lipid synthesis. Signal pathway analyses reveal that fatty acid treatment results in phosphorylation and activation of multiple intracellular kinases. Thus, fatty acids increase human cardiomyocyte hypertrophy, force generation, calcium dynamics, action potential upstroke velocity, and oxidative capacity. This enhanced maturation should facilitate hPSC-CM usage for cell therapy, disease modeling, and drug/toxicity screens.

The interplay between the mechanical properties of cells and the forces that they produce internally or that are externally applied to them play an important role in maintaining the normal function of cells. These forces also have a significant effect on the progression of mechanically related diseases. To study the mechanics of cells, a wide variety of tools have been adapted from the physical sciences. These tools have helped to elucidate the mechanical properties of cells, the nature of cellular forces, and mechanoresponses that cells have to external forces, i.e., mechanotransduction. Information gained from these studies has been utilized in computational models that address cell mechanics as a collection of biomechanical and biochemical processes. These models have been advantageous in explaining experimental observations by providing a framework of underlying cellular mechanisms. They have also enabled predictive, in silico studies, which would otherwise be difficult or impossible to perform with current experimental approaches. In this review, we discuss these novel, experimental approaches and accompanying computational models. We also outline future directions to advance the field of cell mechanics. In particular, we devote our attention to the use of microposts for experiments with cells and a bio-chemical-mechanical model for capturing their unique mechanobiological properties.