Influence of surface geometry and material properties in hiPSC-CM cell cultures

Abstract

Cardiovascular diseases remain the leading cause of death worldwide, and human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) provide a promising tool for disease modelling, cardiotoxicity testing, and regenerative medicine. However, their use is limited by immaturity, as hiPSC-CMs more closely resemble fetal than adult cardiomyocytes, which reduces their clinical predictability. This bachelor’s thesis is a literature review on how the microenvironment of culture substrates, including material composition, stiffness, and surface topography, influence the alignment, maturation, and functionality of hiPSC-CMs. Evidence shows that soft substrates mimicking physiological stiffness support improved mitochondrial organization, sarcomere alignment, and contractile properties compared to fibrotic stiff substrates. Moreover, biomimetic materials and topographical patterning, such as microgrooves and stripes, have been shown to enhance cellular orientation, ion channel expression, and calcium handling, all of which are indicators of structural and functional maturation. The findings suggest that engineered micro- and nanostructures hold significant potential in advancing the maturation and utility of hiPSC-CM models. Future research should focus on combining multiple maturation strategies and further elucidating cell–microenvironment interactions to create more physiologically relevant cardiac models. Such developments could improve disease modelling, drug screening platforms, and regenerative therapies.

Sydän- ja verisuonitaudit ovat merkittävin kuolinsyy maailmanlaajuisesti, ja ihmisen indusoiduista pluripotenteista kantasoluista johdetut kardiomyosyytit (hiPSC-CM) tarjoavat lupaavan mallin tautien mallinnukseen, lääkeaineiden turvallisuusarviointiin ja regeneratiiviseen lääketieteeseen. Niiden käyttöä kuitenkin rajoittaa solujen epäkypsyys: hiPSC-CM:t muistuttavat enemmän sikiön kuin aikuisen sydänlihassoluja, mikä heikentää mallien kliinistä ennustettavuutta. Tämä kandidaatintutkielma on kirjallisuuskatsaus, jossa tarkasteltiin, miten soluviljelyalustan mikroympäristö, kuten materiaali, jäykkyys, sekä pintatopografia vaikuttavat hiPSC-CM-solujen käyttäytymiseen, kypsymiseen ja rakenteelliseen suuntautumiseen. Tulosten perusteella fysiologista jäykkyyttä jäljittelevät pehmeät alustat tukevat paremmin mitokondrioiden järjestäytymistä, sarkomeerien pituutta ja solujen supistuvuutta kuin fibroottisen jäykät alustat. Lisäksi solujen biologista ympäristöä mallintavat materiaalit ja pintakuviointi, kuten mikrojuovat ja -raidat, osoittautuivat tehokkaiksi keinoiksi parantaa solujen suuntautumista, ionikanavien ilmentymistä ja kalsiumin käsittelyä. Katsauksen perusteella alustojen mikro- ja nanorakenteet tarjoavat merkittäviä mahdollisuuksia hiPSC-CM-mallien kehittämiseen. Jatkossa erityisen tärkeitä tutkimuskohteita ovat eri kypsyttämismenetelmien yhdistäminen sekä solujen ja niiden mikroympäristön vuorovaikutusten syvempi ymmärtäminen. Näiden avulla voidaan edistää sydänsairauksien tarkempaa mallintamista, lääketutkimusta ja kudoskorjaushoitojen kehittämistä.