心臟復(fù)極儲(chǔ)備電流IKs在糖尿病QT間期延長(zhǎng)性別差異中的作用*

王 冰， 曹顏秀， 洪 遠(yuǎn)， 張佳琳， 趙 梅， 李雪連,2， 單宏麗,2△

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)1藥理學(xué)教研室， 2 省部共建生物醫(yī)藥國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150081)

心臟復(fù)極儲(chǔ)備電流IKs在糖尿病QT間期延長(zhǎng)性別差異中的作用*

王 冰1， 曹顏秀1， 洪 遠(yuǎn)1， 張佳琳1， 趙 梅1， 李雪連1,2， 單宏麗1,2△

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)1藥理學(xué)教研室，2省部共建生物醫(yī)藥國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150081)

目的觀察不同性別糖尿病家兔QT間期延長(zhǎng)病理?xiàng)l件下的緩慢延遲整流鉀電流(IKs)以及蛋白變化，為探討糖尿病性長(zhǎng)QT綜合征性別差異的離子機(jī)制做基礎(chǔ)。方法取體重2-2.5 kg家兔，一次性注射預(yù)熱(37 ℃)的四氧嘧啶(140 mg/kg)，8周后造成1型糖尿病模型，測(cè)定血糖，記錄標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)心電圖，采用酶解法分離家兔單個(gè)心室肌細(xì)胞，應(yīng)用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)記錄動(dòng)作電位時(shí)程(APD)和IKs，并且運(yùn)用Western blotting法檢測(cè)KvLQT1和mink蛋白表達(dá)變化。結(jié)果雌雄糖尿病組QT間期和APD均較對(duì)照組延長(zhǎng)，雄性延長(zhǎng)明顯，且延長(zhǎng)百分比差異顯著(P<0.05)。在+40 mV到+70 mV測(cè)試電壓范圍內(nèi)，雄性糖尿病組IKsstep電流密度均低于對(duì)照組(P<0.05)，在+70 mV時(shí)，由對(duì)照組(3.08±0.67)pA/pF(n=17)降低到(1.27±0.20)pA/pF(n=16)，在0 mV～+70 mV測(cè)試電壓范圍內(nèi)，雌性糖尿病組IKsstep電流密度均高于對(duì)照組(P<0.05)，在+70 mV時(shí)，由對(duì)照組的(1.56±0.20)pA/pF(n=13)增加到(3.65±0.50)pA/pF(n=14)。Western blotting結(jié)果顯示雄性糖尿病組KvLQT1和mink蛋白表達(dá)水平分別下調(diào)21.6%和18.5%；雌性糖尿病組KvLQT1和mink蛋白表達(dá)水平分別上調(diào)42.3%和20.5%(P<0.05)。結(jié)論IKs參與了糖尿病QT間期延長(zhǎng)的發(fā)生，并且存在性別差異。在雌性家兔早期糖尿病模型中，作為一個(gè)復(fù)極儲(chǔ)備，代償性上調(diào)，限制了QT間期的過(guò)度延長(zhǎng)。

糖尿?。?QT間期延長(zhǎng)； 緩慢延遲整流鉀電流； 膜片鉗術(shù)

心血管并發(fā)癥是糖尿病病人死亡的主要原因[1]，其中長(zhǎng)QT綜合征(long-QT syndrome，LQTS)的發(fā)生同病人心性猝死的危險(xiǎn)性呈正相關(guān)[2,3]，并且存在顯著性別差異[4]，但其具體機(jī)制研究尚少。家兔心臟存在快速延遲整流鉀電流(rapid delayed rectifier potassium current，IKr)和緩慢延遲整流鉀電流(slow delayed rectifier potassium current，IKs)，這些電流在大鼠和小鼠中是缺失的，而在許多物種如人類和兔IKr是心肌細(xì)胞的主要復(fù)極電流[5]。糖尿病模型中QT間期和動(dòng)作電位時(shí)程(action potential duration，APD)的延長(zhǎng)主要是IKr異常所致[5-7]。當(dāng)某些因素抑制了復(fù)極化電流如IKr時(shí)，IKs的作用就凸顯出來(lái)了，其具有緩慢激活的動(dòng)力學(xué)特性，可作為一個(gè)復(fù)極儲(chǔ)備，限制APD的過(guò)度延長(zhǎng)[8]。而當(dāng)這個(gè)安全因子被抑制后，可導(dǎo)致更明顯的QT間期延長(zhǎng)[9]。然而IKs的這種保護(hù)機(jī)制往往被忽略了，它在糖尿病家兔QT間期延長(zhǎng)的性別差異中是否發(fā)揮作用也尚不清楚。因此，本實(shí)驗(yàn)探討了不同性別糖尿病家兔QT間期延長(zhǎng)時(shí)IKs電流以及蛋白表達(dá)的變化，為探討糖尿病性長(zhǎng)QT綜合征性別差異的離子機(jī)制做基礎(chǔ)。

材 料 和 方 法

1材料

1.1動(dòng)物 健康成年雌雄家兔，體重2-2.5 kg，由哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。

1.2藥品和試劑 HEPES、EGTA、Na-ATP、小牛血清蛋白(BSA)、膠原酶Ⅱ和4-AP均購(gòu)自Sigma;其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。KvLQT1、mink抗體購(gòu)于Santa Cruz;紅外熒光標(biāo)記的Ⅱ抗(Alexa Fluor 700)購(gòu)自Molecular Probes。

1.3溶液 液體成分(mmol·L-1)：(1)臺(tái)氏液:NaCl 126， KCl 5.4，MgCl21.0，CaCl211.8，NaH2PO40.33，glucose 10，HEPES 10，NaOH調(diào)pH至7.4；(2)細(xì)胞保存液:glutamic acid 70，taurine 15，KCl 30，KH2PO410，MgCl215，EGTA 15，HEPES 10，glucose 10，1% albumin，KOH調(diào)節(jié)pH至7.4；(3)電極內(nèi)液：KC1 20，天門(mén)冬氨酸 110，KOH 110，HEPES 5，MgCl2·6H2O 1，EGTA 4，Na2-ATP 5，KOH調(diào)節(jié)pH至7.2。

2方法

2.1家兔糖尿病模型的建立 正常雄雌家兔，體重2-2.5 kg，隨機(jī)分為雄性對(duì)照組、雄性糖尿病組、雌性對(duì)照組、雌性糖尿病組。糖尿病造模采用1次耳緣靜脈注射預(yù)熱的(37 ℃)四氧嘧啶(140 mg/kg，溶于生理鹽水中)。為避免由胰島素大量釋放而引起的致死性低血糖，四氧嘧啶處理后4 h和6 h均給予10%葡萄糖溶液(100 mg/kg，皮下注射)[10]。

2.2評(píng)價(jià)糖尿病和QT間期延長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn) 在四氧嘧啶注射前和注射后的每周，測(cè)定血糖水平，高于15 mmol/L認(rèn)為造模成功。造模后8周利用BL-420E+生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)記錄Ⅱ?qū)?lián)心電圖。依據(jù)QT間期及RR間期，使用Carlsson公式計(jì)算校正的QT間期(QTc)[QTc=QT-0.175(RR-300)]。

2.3家兔心室肌細(xì)胞的分離[10]家兔麻醉后，開(kāi)胸迅速取出心臟，將其連于Langendorf灌流器(恒溫，37 ℃)上，以正常臺(tái)氏液約8 mL/min 連續(xù)灌流5 min，洗去心臟殘血，然后用無(wú)鈣臺(tái)氏液灌流約10 min至心臟停搏，換含Ⅱ型膠原酶(10 mg/50 mL)的無(wú)鈣液循環(huán)灌流心臟，當(dāng)心臟變軟變大，顏色變淺開(kāi)始取心臟組織，每隔2 min取1次。將不同時(shí)間取下的心肌組織放于裝有細(xì)胞保存液的試管中，用吸管輕輕吹打，使之分散成單個(gè)細(xì)胞，取出大塊組織，置于4 ℃冰箱穩(wěn)定1 h待用。

2.4全細(xì)胞膜片鉗技術(shù) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程將遵照我們以往建立的方法[11,12]。Axopatch-200B放大器在電壓鉗模式下記錄電流，在電流鉗模式下記錄單細(xì)胞動(dòng)作電位。酸硼玻璃電極充灌電極內(nèi)液后尖端電阻1MΩ-3MΩ。向Olympus IX-70型倒置顯微鏡上方的浴槽內(nèi)滴入1滴細(xì)胞懸液，放置10 min左右，待細(xì)胞貼壁后用臺(tái)氏液持續(xù)灌流，沖洗細(xì)胞。選擇貼壁良好、橫紋清晰、胞膜完整、折光率好的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為記錄IKs電流，在浴液中加入TTX(1 μmol/L)阻斷INa，尼索地平(1 μmol/L)阻斷ICa-L，4-氨基吡啶(1 mmol/L)阻斷Ito，多菲菜德(1 μmol/L)阻斷IKr。實(shí)驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)軟件pCLAMP 9.2控制數(shù)-模轉(zhuǎn)換器完成刺激信號(hào)的產(chǎn)生、反饋信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)分析。形成高阻封接后,抽吸破膜,形成全細(xì)胞模式,在電壓鉗和電流鉗的模式下進(jìn)行刺激和記錄。

2.5免疫印跡 超速離心法提取各組家兔心室肌細(xì)胞膜蛋白，BCA法進(jìn)行定量，用10%聚丙烯酰胺凝膠電泳分離并轉(zhuǎn)印到PVDF膜上，封閉。KvLQT1和mink的多克隆抗體4 ℃孵育過(guò)夜。第2 d PBS緩沖液洗膜后用稀釋的紅外熒光標(biāo)記Ⅱ抗對(duì)膜避光孵育1 h，用PBS緩沖液洗膜3次,每次10 min。最后Odyssey紅外熒光掃描成像系統(tǒng)(LI-COR)對(duì)膜上蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。各組的免疫印跡結(jié)果應(yīng)用Quantity One軟件檢測(cè)條帶密度(面積×A值)，并以GAPDH進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

結(jié) 果

1糖尿病家兔血糖變化

糖尿病組家兔血糖水平較對(duì)照組呈明顯上升趨勢(shì)。靜脈注射四氧嘧啶后8周內(nèi)，雄性家兔血糖由(5.91±0.69)mmol/L上升至(18.40±2.04)mmol/L，雌性家兔血糖由(5.61±0.38)mmol/L上升至(21.40±2.81)mmol/L,見(jiàn)圖1。

圖1不同性別家兔注射四氧嘧啶后的血糖變化

2糖尿病家兔心電圖參數(shù)變化

糖尿病組家兔QTc均高于對(duì)照組，差異顯著。雄性糖尿病QTc較對(duì)照組延長(zhǎng)了18.9%，雌性糖尿病組QTc較對(duì)照組延長(zhǎng)了16.3%，雄性延長(zhǎng)明顯，且延長(zhǎng)百分比差異顯著(P<0.05),見(jiàn)圖2。

3糖尿病家兔心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化

應(yīng)用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)，記錄單個(gè)細(xì)胞的動(dòng)作電位，細(xì)胞封接阻抗為10 GΩ以上，保持電壓為-80 mV。結(jié)果顯示, 在正常細(xì)胞外液(pH7.4)條件下，雌雄糖尿病組APD較對(duì)照組均延長(zhǎng)，且雄性糖尿病組APD50由(271.50±32.34)ms增加到(556.64±72.47)ms；APD90由(347.81±36.27)ms增加到(647.92±72.15)ms。雌性糖尿病組APD50由(279.90±27.58)ms增加到(403.80±53.25)ms；APD90由(376.60±38.61)ms增加到(540.50±48.51)ms。雄性延長(zhǎng)明顯，且延長(zhǎng)百分比差異顯著(P< 0.05)，見(jiàn)圖3。

圖2不同性別糖尿病家兔校正QT間期

圖3不同性別糖尿病家兔心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位

4糖尿病家兔心肌細(xì)胞IKs電流變化

形成全細(xì)胞構(gòu)型后，將保持電壓固定在-50 mV，實(shí)驗(yàn)電壓從-40 mV，以10 mV為步階階躍至+70 mV，測(cè)定脈沖末期2.5 s時(shí)的電流。應(yīng)用IKr阻斷劑多菲菜德(1 μmol/L),結(jié)果表明，在+40 mV到+70 mV測(cè)試電壓范圍，雄性糖尿病組心肌細(xì)胞IKsstep電流密度均低于對(duì)照組，在+70 mV時(shí)，由對(duì)照組(3.08±0.67)pA/pF降低到(1.27±0.20)pA/pF(n=16，P< 0.05)；而在0 mV到+70 mV測(cè)試電壓范圍內(nèi)，雌性糖尿病組心肌細(xì)胞IKsstep電流密度均高于對(duì)照組，在+70 mV時(shí)，由對(duì)照組的(1.56±0.20)pA/pF增加到(3.65±0.50)pA/pF(n=14，P< 0.05),見(jiàn)圖4。

圖4不同性別糖尿病家兔IKs電流變化

5糖尿病家兔心肌KvLQT1和mink蛋白表達(dá)水平

Western blotting檢測(cè)結(jié)果顯示，雄性糖尿病組IKs通道亞基KvLQT1和mink表達(dá)水平較對(duì)照組分別下調(diào)了21.6%和18.5%；雌性糖尿病組IKs通道亞基KvLQT1和mink表達(dá)水平較對(duì)照組分別上調(diào)了42.3%和20.5%(n=6，P< 0.05),見(jiàn)圖5。

圖5不同性別糖尿病家兔IKs蛋白水平的變化

討 論

本實(shí)驗(yàn)研究了IKs在糖尿病QT間期延長(zhǎng)性別差異中的作用。結(jié)果顯示，在1型糖尿病家兔模型中，雌雄糖尿病組QT間期和APD均較對(duì)照組延長(zhǎng)，雄性糖尿病組延長(zhǎng)明顯，且延長(zhǎng)百分比差異顯著。隨后我們應(yīng)用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)觀察到雄性糖尿病組IKs電流密度低于對(duì)照組，而雌性糖尿病組IKs電流密度高于對(duì)照組；Western blotting結(jié)果顯示雄性糖尿病組KvLQT1和mink表達(dá)下調(diào)；雌性糖尿病組KvLQT1和mink表達(dá)上調(diào)，蛋白表達(dá)水平與電流變化相一致。這種截然相反的變化說(shuō)明IKs電流的確參與了糖尿病QT間期延長(zhǎng)性別差異的發(fā)生。

糖尿病是臨床常見(jiàn)病、多發(fā)病，而心血管并發(fā)癥是糖尿病人死亡的主要原因[13]。其中以LQTS最為多見(jiàn)，是導(dǎo)致糖尿病患者心性猝死的重要原因之一。QT間期反映的是心室除極和復(fù)極的整個(gè)時(shí)期或細(xì)胞APD。APD由細(xì)胞內(nèi)、外向電流之間的精細(xì)平衡所控制，內(nèi)向電流的增加和/或外向電流的減少都會(huì)延長(zhǎng)APD及QT間期，APD的過(guò)度延長(zhǎng)是糖尿病心肌細(xì)胞的特征性改變。在許多物種如人類和兔的心臟中存在IKr和IKs電流，它們共同參與心肌細(xì)胞的復(fù)極過(guò)程，其降低均會(huì)導(dǎo)致APD/QT間期的延長(zhǎng)，而這些電流在大鼠和小鼠中是缺失的。我們的研究發(fā)現(xiàn)雌雄糖尿病家兔均出現(xiàn)了QT間期和APD延長(zhǎng)，這主要是由于繼發(fā)于代謝紊亂的一些細(xì)胞變化引起IKr異常所致[7,14]。在隨后的性別差異研究中發(fā)現(xiàn)，雌雄糖尿病組APD/QT間期延長(zhǎng)的百分比存在差異，雄性延長(zhǎng)明顯。在兔模型中，心肌細(xì)胞的IKr雄性大于雌性[15]，同樣，在豚鼠中也觀察到類似的IKr性別差異[8]。這種低IKr密度說(shuō)明健康女性具有更長(zhǎng)的基礎(chǔ)QT間期，為臨床上女性糖尿病患者較男性糖尿病患者擁有較高的QT間期延長(zhǎng)發(fā)生率提供了理論基礎(chǔ)。糖尿病QT間期延長(zhǎng)主要由于IKr異常使APD延長(zhǎng)進(jìn)而引起LQTS，雄性家兔擁有更多可以利用的IKr，結(jié)果應(yīng)該是雌性家兔APD延長(zhǎng)更加明顯，必然是除了IKr有其它電流的參與。雖然在生理?xiàng)l件下IKs的作用是有限的，但是其緩慢激活的動(dòng)力學(xué)特性可作為一個(gè)復(fù)極儲(chǔ)備，限制APD的過(guò)度延長(zhǎng)[8]。IKs通道蛋白由KCNQ1基因編碼的α亞基(KvLQT1)及KCNE1基因編碼β亞基(mink)構(gòu)成，通道蛋白表達(dá)的變化可以直接影響相應(yīng)電流的改變。在我們的實(shí)驗(yàn)中雄性糖尿病組IKs電流密度及蛋白表達(dá)水平均較對(duì)照組降低，與雄性結(jié)果相反，雌性糖尿病組IKs電流密度及蛋白表達(dá)水平均較對(duì)照組升高?？梢?jiàn)雌性糖尿病組IKs電流代償性增大，它作為一個(gè)復(fù)極儲(chǔ)備，限制了復(fù)極過(guò)慢，使得雌性糖尿病組APD沒(méi)有雄性延長(zhǎng)明顯。綜上所述，在家兔1型糖尿病模型中，IKs確實(shí)參與了糖尿病QT間期延長(zhǎng)性別差異的發(fā)生，并且它的作用不容忽視，尤其是在某些因素抑制了其它復(fù)極電流時(shí)，IKs的作用就凸顯出來(lái)。

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CardiacIKsasrepolarizationreserveplaysaroleingenderdifferenceofdiabeticQTprolongation

WANG Bing1, CAO Yan-xiu1, HONG Yuan1, ZHANG Jia-lin1, ZHAO Mei1, LI Xue-lian1,2, SHAN Hong-li1,2

(1DepartmentofPharmacology，2TheState-ProvinceKeyLaboratoriesofBiomedicine-PharmaceuticsofChina,HarbinMedicalUniversity,Harbin150081,China.E-mail:shanhongli@yahoo.com.cn)

AIM: To explore the basic ionic mechanisms underlying long-QT syndrome by observing the changes of slowly activating outward rectifying potassium current (IKs) and its proteins in abnormal QT prolongation in different genders of diabetic rabbits.METHODSA single injection of pre-warmed (37 ℃) alloxan (140 mg/kg) was used to establish a rabbit model of insulin-dependent diabetes mellitus. Eight weeks after alloxan injection, the levels of blood glucose in the rabbits were monitored and standard lead II electrocardiogram was recorded. The myocardial cells were isolated from the ventricle of the rabbits via enzymatic digestion. Whole-cell patch clamp technique was performed to study the action potential duration (APD) andIKs. The changes of both KvLQT1 and mink proteins were detected by Western blotting analysis.RESULTSThe QT interval and APD were prolonged apparently both in male and female diabetic rabbits. The increased APD/QT-I of the male diabetic rabbits is more remarkable than that of the female. TheIKsstep current density of the male diabetic rabbits was decreased at test potentials ranging from+40 mV to+70 mV compared with that of the control animals (P<0.05), which was lowered from (3.08±0.67) pA/pF (n=17) to (1.27±0.20) pA/pF (n=16) at+70 mV. However, theIKsstep current density of the female diabetic rabbits was increased at test potentials ranging from 0 mV to+70 mV compared with that of control group (P<0.05), which was increased from (1.56±0.20) pA/pF (n=13) to (3.65±0.50) pA/PF (n=14) at+70 mV. The expression of KvLQT1 and mink in male diabetic group decreased by 21.6% and 18.5%, respectively. However, the expression of KvLQT1 and mink in female diabetic group were increased by 42.3% and 20.5%, respectively.CONCLUSIONTheIKsmay be a protective factor in the early period of diabetic development in female rabbits. As a repolarization reserve, cardiacIKsis likely to restrict the effects of excessively slowing repolarization.

Diabetes mellitus; QT interval prolongation; Slow delayed rectifier potassium current; Patch-clamp techniques

R363

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2011.01.024

1000-4718(2011)01-0124-05

2010-07-09

2010-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.30600253)；教育部重點(diǎn)資助項(xiàng)目(No.207031)；黑龍江省留學(xué)歸國(guó)人員基金資助項(xiàng)目(No.LC07C10)

△通訊作者 Tel: 0451-86671354； E-mail: shanhongli@yahoo.com.cn