艾塞那肽對(duì)高糖所致新生乳鼠心肌細(xì)胞鈣信號(hào)紊亂的調(diào)控作用

陳澤龍，余懷新，陳淑娟，劉君英，劉文娟，鄧建新，汪新宇，閻德文

(1深圳市第二人民醫(yī)院，廣東深圳518035；2深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院)

艾塞那肽對(duì)高糖所致新生乳鼠心肌細(xì)胞鈣信號(hào)紊亂的調(diào)控作用

陳澤龍1，余懷新1，陳淑娟1，劉君英1，劉文娟2，鄧建新1，汪新宇1，閻德文1

(1深圳市第二人民醫(yī)院，廣東深圳518035；2深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院)

目的 觀察GLP-1類似物艾塞那肽(EX-4)對(duì)高糖所致新生乳鼠心肌細(xì)胞鈣信號(hào)紊亂的調(diào)控作用，探討GLP-1的心臟保護(hù)機(jī)制。方法 分離新生乳鼠心肌細(xì)胞，培養(yǎng)24 h后隨機(jī)分為對(duì)照組、高糖組和高糖+EX-4組，分別加入25 mmol/L甘露醇、25 mmol/L葡萄糖、25 mmol/L葡萄糖+10 nmol/L EX-4，繼續(xù)培養(yǎng)24 h。使用激光共聚焦顯微技術(shù)檢測(cè)各組心肌細(xì)胞自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率、場(chǎng)刺激鈣瞬變幅度、鈣庫(kù)容量；使用膜片鉗技術(shù)記錄L型鈣通道電流。結(jié)果 對(duì)照組、高糖組、高糖+EX-4組的心肌細(xì)胞自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率分別為(1.35±0.07)、(3.86±0.27)、(1.99±0.15)個(gè)/(μm·s)，場(chǎng)刺激鈣瞬變幅度鈣瞬變幅度分別為3.95±0.08、3.34±0.07、4.09±0.12，鈣庫(kù)容量分別為4.95±0.18、3.26±0.09、4.59±0.15，10 mV時(shí)的L型鈣通道電流密度分別為-12.46±0.58、-11.28±0.55、-13.09±0.64,高糖組心肌細(xì)胞鈣火花發(fā)放頻率、鈣瞬變幅度較對(duì)照組升高，鈣庫(kù)容量、電流密度較對(duì)照組降低(P<0.05或<0.01)，高糖+EX-4組鈣火花發(fā)放頻率、鈣瞬變幅度較高糖組降低，鈣庫(kù)容量、電流密度較高糖組升高(P<0.05或<0.01)，與對(duì)照組比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)論 EX-4能夠增強(qiáng)心肌細(xì)胞L型鈣通道電流，減少肌漿網(wǎng)鈣漏流，從而有效糾正高糖所致心肌細(xì)胞鈣調(diào)控紊亂，降低高糖所致心肌損傷。

艾塞那肽；心肌細(xì)胞；高血糖；鈣火花；鈣瞬變幅度；L型鈣通道電流；激光共聚焦顯微技術(shù)

糖尿病是心血管疾病的重要危險(xiǎn)因子之一。高血糖作為一個(gè)獨(dú)立的危險(xiǎn)因子，可直接引起心肌損傷，且不依賴于血管疾病[1]。胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)是由人胰高血糖素基因編碼，并由腸道L細(xì)胞分泌的一種肽類激素。GLP-1具有促進(jìn)葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌、降低血糖水平、減輕體質(zhì)量等作用，但其在生物體內(nèi)的半衰期短。GLP-1類似物艾塞那肽(EX-4)具有與GLP-1相同的作用，而且作用時(shí)間更長(zhǎng)，能夠更好地控制血糖[2]。近年研究報(bào)道，EX-4具有心肌保護(hù)作用，但具體機(jī)制尚不完全清楚[3，4]。心肌細(xì)胞對(duì)鈣離子具有調(diào)控作用，保持細(xì)胞內(nèi)鈣離子的動(dòng)態(tài)平衡，從而維持細(xì)胞正常的舒縮功能。一旦鈣離子的動(dòng)態(tài)平衡被打亂，心臟功能甚至結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生異常。多種疾病模型可顯著增加心肌細(xì)胞自發(fā)鈣火花頻率，降低肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)容量水平，最終降低單細(xì)胞收縮期鈣瞬變大小和收縮幅度，引起心臟功能障礙[5]。2014年12月～2015年12月，我們采用倒置共聚焦顯微鏡線掃描方式研究高糖對(duì)心肌細(xì)胞鈣信號(hào)的影響，以及EX-4對(duì)高糖引起的鈣信號(hào)紊亂的調(diào)控作用?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 材料 SD新生大鼠，1～3日齡。EX-4注射液(美國(guó)Baxter Pharmaceutical Solutions LLC產(chǎn)品)；HEPES、蛋白酶XIV(美國(guó)Sigma公司)，Ⅱ型膠原酶(美國(guó)Worthington公司)，鈣熒光指示劑Fluo-4 AM(美國(guó)Invitrogen公司)，其余為國(guó)產(chǎn)分析純。LSM-780型倒置共聚焦顯微鏡(德國(guó)卡爾蔡司)，微量多管道給藥系統(tǒng)(華中科大儀博生命科學(xué)儀器)，YC-2型電子刺激器(成都儀器廠)，EPC10膜片鉗系統(tǒng)(德國(guó)HEKA公司)。

1.2 心肌細(xì)胞的分離與培養(yǎng) 采用胰蛋白酶消化的方法分離乳鼠心肌細(xì)胞。取乳鼠開胸，快速取出心臟，置于冰冷的PBS緩沖液中。取心尖部組織剪成1 mm3碎塊，加入胰蛋白酶消化。棄上清，剩余組織塊加入混合消化酶(0.08%胰蛋白酶和0.04%～0.06%Ⅱ型膠原酶等量混合)，37 ℃水浴消化，將各次消化制成的細(xì)胞懸液合并后，通過(guò)150目孔徑的不銹鋼網(wǎng)濾過(guò)。將細(xì)胞懸液接種于直徑60 mm培養(yǎng)板中，采取差速法貼壁心肌細(xì)胞,37 ℃，5% CO2培養(yǎng)箱中孵育1 h，分離純化心肌細(xì)胞。將純化后的細(xì)胞按0.8×105～1.0×105/m2接種于直徑35 mm培養(yǎng)皿中。

1.3 心肌細(xì)胞的分組與處理 將細(xì)胞隨機(jī)分成對(duì)照組、高糖組、高糖+EX-4組，分別給予甘露醇25 mmol/L、25 mmol/L葡萄糖、10 nmol/L EX-4+25 mmol/L葡萄糖培養(yǎng)24 h。

1.4 心肌細(xì)胞自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率檢測(cè) 將培養(yǎng)后的心肌細(xì)胞與Fluo-4 AM室溫避光共孵育10 min，洗去多余的熒光染料，置于倒置共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的載物臺(tái)上，臺(tái)氏液灌流細(xì)胞。40倍鏡下采用相同的放大倍數(shù)、線掃描方式進(jìn)行采集圖像信號(hào)，采樣速率為3.84 ms/line，共采集1 000條線，激發(fā)光波長(zhǎng)為488 nm，收集波長(zhǎng)505 nm以上的發(fā)射光。以鈣火花發(fā)放個(gè)數(shù)除以采樣時(shí)間計(jì)算鈣火花發(fā)放頻率。

1.5 心肌細(xì)胞收縮期鈣瞬變幅度檢測(cè) 將加載好熒光染料的細(xì)胞置于Zeiss LSM-780倒置共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的載物臺(tái)上，臺(tái)氏液灌流細(xì)胞。用線掃描方式采集圖像數(shù)據(jù)，采樣速率為3.84 ms/line。使用YC-2型電子刺激器給予細(xì)胞1 Hz、10 V的場(chǎng)刺激，細(xì)胞隨刺激節(jié)律收縮，實(shí)時(shí)鈣熒光強(qiáng)度隨細(xì)胞節(jié)律性收縮而發(fā)生節(jié)律性變化，待鈣熒光強(qiáng)度平穩(wěn)變化后開始記錄實(shí)時(shí)鈣熒光變化。數(shù)據(jù)保存后再分析，本底熒光記為F0，熒光最大值記為F，鈣瞬變幅度=(F-F0)/F0。

1.6 心肌細(xì)胞鈣庫(kù)容量檢測(cè) 將加載好熒光染料的細(xì)胞置于共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的載物臺(tái)上，通過(guò)快速微量多管道給藥系統(tǒng)在待測(cè)量的心肌細(xì)胞旁邊給予20 mmol/L咖啡因連續(xù)刺激，清空肌漿網(wǎng)內(nèi)鈣庫(kù)，直到記錄完畢。采用線掃描方式采集圖像數(shù)據(jù)，本底熒光記為F0，熒光最大值記為F，鈣庫(kù)容量=(F-F0)/F0。

1.7 心肌細(xì)胞L型鈣通道電流檢測(cè) 從培養(yǎng)箱取出細(xì)胞，用細(xì)胞外液洗3次去除培養(yǎng)基，換上細(xì)胞外液后把細(xì)胞置于倒置顯微鏡上，選取狀態(tài)好的單細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。記錄L型鈣通道電流的細(xì)胞外液為(mmol/L)：NaCl 137、KCl 5.4、NaH2PO41.2、MgCl21.2、葡萄糖10、HEPES 20、TTX、0.02，pH 7.4。電極內(nèi)液(mmol/L)：CsOH 120、Aspartate 120、MgCl21、MgATP 4、HEPES 10、EGTA 5、TEA-Cl 20，CsOH調(diào)整pH至7.2，電極充以電極內(nèi)液，入水后阻抗為2～5 MΩ。采用EPC-10放大器，以全細(xì)胞記錄方式記錄L型鈣通道電流和細(xì)胞電容，電流大小(pA)和電容(pF)應(yīng)用Clampfit10.0程序分析處理，以pA/pF計(jì)算電流密度。

2 結(jié)果

2.1 各組細(xì)胞自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率比較 對(duì)照組、高糖組、高糖+EX-4組細(xì)胞自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率分別為(1.35±0.07)、(3.86±0.27)、(1.99±0.15)個(gè)/(μm·s)。高糖組鈣火花頻率較對(duì)照組增加，高糖+EX-4組較高糖組降低，高于對(duì)照組(P<0.05或<0.01)。

2.2 各組細(xì)胞收縮期鈣瞬變幅度比較 對(duì)照組、高糖組、高糖+EX-4組細(xì)胞收縮期鈣瞬變幅度分別為3.95±0.08、3.34±0.07、4.09±0.12。高糖組鈣瞬變幅度較對(duì)照組降低(P<0.05)，高糖+EX-4組較高糖組升高(P<0.05)，與對(duì)照組比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。

2.3 各組心肌細(xì)胞鈣庫(kù)容量比較 對(duì)照組、高糖組、高糖+EX-4組心肌細(xì)胞鈣庫(kù)容量分別為4.95±0.18、3.26±0.09、4.59±0.15。高糖組鈣庫(kù)容量較對(duì)照組降低,高糖+EX-4組較高糖組增加(P均<0.01)，高糖+EX-4組仍低于對(duì)照組(P<0.05)。

2.4 各組心肌細(xì)胞L型鈣通道電流密度比較 電流-電壓曲線顯示，電流呈典型的倒鐘型曲線，各組電流峰值在10 mV。對(duì)照組、高糖組、高糖+EX-4組在10 mV時(shí)的電流密度分別為-12.46±0.58、-11.28±0.55、-13.09±0.64。高糖組電流密度低于對(duì)照組，高糖組+EX-4組較高糖組升高(P<0.01)，與對(duì)照組相比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 討論

糖尿病心肌病是造成糖尿病合并心血管疾病患者死亡的重要原因。高糖可致活性氧、活性氮等自由基升高，造成心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，從而引起糖尿病心肌病的發(fā)生。EX-4是以雙激素缺陷為靶向的新型降糖藥物。EX-4為腸促胰素類似物，其作為GLP-1受體激動(dòng)劑，可與GLP-1受體結(jié)合，發(fā)揮類GLP-1的作用從而降低血糖。研究發(fā)現(xiàn)，EX-4具有心血管保護(hù)作用，能改善內(nèi)皮細(xì)胞功能、促進(jìn)鈉排泄、改善缺血損傷的心肌，恢復(fù)心功能，減少心血管疾病的危險(xiǎn)因素[6]。

在哺乳動(dòng)物心肌細(xì)胞興奮-收縮耦聯(lián)過(guò)程中，細(xì)胞膜去極化激活電壓依賴性鈣通道引起細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流，內(nèi)流的鈣離子通過(guò)鈣-鈣釋放機(jī)制觸發(fā)肌漿網(wǎng)大量釋放鈣離子，胞內(nèi)鈣離子濃度瞬間升高，引起細(xì)胞收縮[7]。隨后，胞質(zhì)鈣離子通過(guò)肌漿網(wǎng)上的鈣泵回收，少量通過(guò)鈉-鈣交換排出胞外，引起細(xì)胞舒張。因此，心肌細(xì)胞對(duì)鈣離子復(fù)雜而又精細(xì)的調(diào)控，使得細(xì)胞內(nèi)鈣離子保持動(dòng)態(tài)平衡，從而保證細(xì)胞正常的舒縮功能。一旦鈣離子的動(dòng)態(tài)平衡被打亂，心臟功能甚至結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生異常。研究表明，長(zhǎng)期高糖血癥導(dǎo)致心肌細(xì)胞能量代謝異常通路激活、氧化應(yīng)激壓力增加和線粒體功能異常，引起心肌細(xì)胞鈣超載，即靜息期胞質(zhì)鈣離子濃度升高，可能是導(dǎo)致心肌功能障礙的重要原因[8，9]。

心肌細(xì)胞收縮期的鈣主要來(lái)自肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)，而肌漿網(wǎng)鈣主要經(jīng)Ryanodine受體(RyR)通道釋放到胞質(zhì)。既往研究認(rèn)為，收縮期RyR開放不足會(huì)造成肌漿網(wǎng)鈣釋放減少，心肌收縮力下降。而舒張期RyR活動(dòng)對(duì)心臟功能的影響直到近年才逐漸被認(rèn)識(shí)[10，11]。正常心肌細(xì)胞舒張期RyR通道主要處于關(guān)閉狀態(tài)，自發(fā)性鈣火花頻率較低，有利于維持正常的肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)容量。而糖尿病模型大鼠離體心肌細(xì)胞舒張期RyR活性增強(qiáng)、異常開放，自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率顯著增加，肌漿網(wǎng)鈣漏流增加[12]。肌漿網(wǎng)鈣漏流的一個(gè)直接后果是引起肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)部分耗竭，收縮期細(xì)胞內(nèi)鈣釋放不足，導(dǎo)致收縮期鈣瞬變幅度降低，心肌收縮力降低。與此同時(shí)，肌漿網(wǎng)鈣漏流引起的心肌細(xì)胞靜息期胞質(zhì)鈣濃度升高(鈣超載)，進(jìn)一步損傷心肌細(xì)胞。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)，高血糖及AGEs可以增加肌漿網(wǎng)RyR受體對(duì)鈣離子的敏感性，心肌細(xì)胞舒張期自發(fā)鈣火花發(fā)放頻率顯著升高，鈣火花介導(dǎo)的肌漿網(wǎng)鈣漏流增加，最終導(dǎo)致鈣庫(kù)容量水平下降，鈣瞬變幅度下降；抑制晚期糖基化終產(chǎn)物受體能顯著減少心肌細(xì)胞鈣火花的頻率，對(duì)心功能具有較好的保護(hù)作用[13]。在本研究中，高糖組的自發(fā)鈣火花頻率增加，導(dǎo)致肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)容量水平部分耗竭，最終降低心肌細(xì)胞舒張期鈣瞬變幅度。EX-4減少高糖引起的肌漿網(wǎng)鈣漏流，恢復(fù)鈣庫(kù)容量，減弱高糖所致的細(xì)胞損傷，從而起到保護(hù)心功能的作用。這與體外培養(yǎng)的細(xì)胞系實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，在體外培養(yǎng)的HL-1心肌細(xì)胞系中，GLP-1類似物利拉魯肽可以明顯改善正常培養(yǎng)HL-1細(xì)胞的鈣瞬變幅度，改善肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)容量[14]。這些研究結(jié)果提示，鈣火花介導(dǎo)的肌漿網(wǎng)鈣漏流可能是糖尿病心肌病發(fā)生的重要機(jī)制。

在心肌細(xì)胞中，舒張期鈣瞬變幅度不僅與鈣釋放單元有關(guān)，還與觸發(fā)信號(hào)——L型鈣通道電流有密切的聯(lián)系，L型鈣通道電流約占鈣釋放的10%。研究顯示，在大動(dòng)物如犬的心室肌細(xì)胞中，GLP-1通過(guò)激活依賴性蛋白激酶A通路顯著增加增強(qiáng)心臟L型鈣電流，延長(zhǎng)動(dòng)作電位時(shí)程，從而起到正性心肌的作用[15，16]。本研究發(fā)現(xiàn)，EX-4治療后可以增加乳鼠心肌細(xì)胞L型鈣通道電流密度，使興奮-收縮耦聯(lián)過(guò)程中的觸發(fā)信號(hào)增強(qiáng)，增加鈣瞬變幅度；表明EX-4在減少鈣漏流的同時(shí)增強(qiáng)觸發(fā)信號(hào)，從而發(fā)揮心肌組織的保護(hù)作用。

綜上所述，GLP-1類似物EX-4能夠通過(guò)增強(qiáng)心肌細(xì)胞鈣電流，減少肌漿網(wǎng)鈣漏流，穩(wěn)定心肌局部鈣信號(hào)，起到良好的心肌保護(hù)作用，對(duì)延緩糖尿病心肌病的發(fā)展具有重要意義，為糖尿病心肌病的防治提供了新的思路。

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Regulating effect of exenatide on disorder of calcium signal in neonatal rat cardiomyocytes induced by high glucose

CHENZelong1,YUHuaixin,CHENShujuan,LIUJunying,LIUWenjuan,DENGJianxin,WANGXinyu,YANDewen

(1SecondPeople'sHospitalofShenzhen,Shenzhen518035,China)

Objective To investigate the regulating effect of GLP-1 analogue exenatide (exenatide-4, EX-4) on the disorder of calcium signal in neonatal rat cardiomyocytes induced by high glucose and the cardioprotective mechanism.Methods The neonatal rat cardiomyocytes were isolated and cultured for 24 h, and then were randomly divided into 3 groups: the control group, high glucose group and high glucose +EX-4 group which were separately treated with 25 mmol/L mannitol, 25 mmol/L high glucose and 25 mmol/L high glucose+10 mmol/L EX-4. The frequency of spontaneous Ca2+spark in cadiomyocyte, field-stimulated calcium transient amplitude and calcium storage capacity were detected by laser scanning confocal microscopy. L-type calcium channel current was recorded by using patch-clamp technique.Results The frequencies of spontaneous Ca2+spark in cadiomyocytes of the control group, high glucose group and high glucose+EX-4 group were (1.35±0.07), (3.86±0.27) and (1.99±0.15)/(μm·s), respectively. Field-stimulated calcium transient amplitude was 3.95±0.08, 3.34±0.07 and 4.09±0.12. The calcium storage capacities were 4.95±0.18, 3.26±0.09 and 4.59±0.15, respectively. L-type calcium channel current density at 10 mV were -12.46±0.58, -11.28±0.55, and -13.09±0.64. In the high glucose group, the frequency of Ca2+spark and the Ca2+transient amplitude were higher than those of the control group (P<0.05 orP<0.01), and calcium storage capacity and L type calcium current density were lower than those in the control group (P<0.05 orP<0.01). In the high glucose+EX-4 group, the frequency of Ca2+spark and the amplitude of Ca2+transient were higher than those of the high glucose group (P<0.05 orP<0.01), and calcium storage capacity and L type calcium current density were higher than those of the high glucose group (P<0.05 orP<0.01), while there was no statistically significant difference as compared with those of the control group. Conclusions EX-4 can increase L-type Ca2+current in cardiomyocytes, and reduce the Ca2+leakage current in the plasma, thus effectively correcting the disorder of Ca2+regulation in cardiomyocytes induced by high glucose. Therefore, EX-4 has good myocardial protective effect on patients with diabetes mellitus.

exenatide; cardiomyocytes; hyperglycemia; calcium sparks; calcium transient amplitude; L type calcium channel current; laser scanning confocal microscopy

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31400982)；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JCYJ20140416180300394,JCYJ20150330102720148,JCYJ20140418182819136)。

陳澤龍(1975-)，男，副主任醫(yī)師，主要研究方向?yàn)樘悄虿⌒呐K病的臨床治療。E-mail: czlsz@139.com

閻德文(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樘悄虿⌒募〔〉陌l(fā)病機(jī)制。E-mail: yandw963@126.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.06.006

R542.2

A

1002-266X(2017)06-0020-04

2016-11-07)