运动训练和体育锻炼能增强心血管系统和调节新陈代谢，对人体健康大有裨益。诸如肥胖、糖尿病、癌症和心脏病等代谢和心脑血管问题多与久坐不动的生活方式有关。因此人们希望找到新的方法来模拟或增强运动的效果，以治疗代谢疾病。
2024年7月15日，一项题名为《石墨烯远红外疗法通过调节肠道稳态促进运动能力及葡萄糖代谢》的研究发表在Scientific Reports杂志（doi: 10.1038/s41598-024-67220-5.），研究通过石墨烯-FIR（远红外）治疗效果的新发现表明，石墨烯-FIR热疗能够提升机体运动能力，并调节能量代谢，未来可能成为临床治疗代谢紊乱的一种新型疗法。
研究发现：石墨烯-FIR热疗通过激活AMPK活性，调节肠道微生物群稳态，增强肌肉葡萄糖摄取和血流量，从而达到模拟或增强运动的效果。
科普小知识：AMPK
AMPK 即AMP依赖的蛋白激酶，是生物能量代谢调节的关键分子，是研究糖尿病及其他代谢相关疾病的核心。它表达于各种代谢相关的器官中，能被机体各种刺激激活，包括细胞压力、运动和很多激素及能影响细胞代谢的物质。
研究团队将小鼠放在试验箱中（40厘米×25厘米×20厘米），采用发热器件装置进行远红外照射，对小鼠进行运动耐力测试、运动活动测试、小鼠体表温度测试、血流测量/激光斑点对比成像等分析。
研究团队分别设置对照组和试验组。对照组采用碳纤维发热器件远红外照射。试验组采用烯旺石墨烯发热膜器件远红外照射。
研究发现一：石墨烯基器件的FIR射线发射光谱更优异
根据科学研究证实，远红外能量能引起细胞分子的旋转和振动运动，特别是影响水分子。人体皮肤能有效吸收由远红外发射器产生的高效红外辐射，从而与人体产生共鸣，加速新陈代谢和血液流动。未被吸收的红外线辐射可能会在人体表面积聚，造成皮肤磨损。
因此，如何在治疗效率和减少不良反应之间取得最佳平衡，就要寻找到一种安全的红外辐射源，其发射光谱与组织吸附的光谱相匹配。研究组选用碳基纳米材料石墨烯和碳纤维材料进行对比分析，做了电镜测试和电热特性检测：
研究分析：
通过扫描电镜图像显示：烯旺石墨烯发热薄膜为二维结构，而碳纤维则以纤维状石墨化结构存在。在电热特性检测中：与碳纤维基器件相比，石墨烯基器件的功率更稳定，在相同功率条件下加热速度更快。
研究组评估了人体的吸收光谱，发现石墨烯器件的发射峰位置与人体表面的特征吸收峰位置相吻合。这些数据表明，石墨烯产生的 FIR 可能更有效地与表皮分子产生共振。
研究发现二：石墨烯-FIR热疗可更好提高小鼠的运动耐力
为了检验石墨烯和碳纤维热疗后小鼠的运动能力差异，研究组分别测试了两组在低强度（最大有氧能力的50%）和高强度（最大有氧能力的100%）不同方案下的跑步机运动表现。
试验将对照组和石墨烯FIR试验组小鼠运动能力的差异进行了测试。对小鼠每天40分钟的红外线辐射，持续14天，第 15 天进行耐力测试。
对比发现：在低强度运动方案中，石墨烯组比对照组小鼠表现出更强的跑步耐力；在高强度运动方案中，石墨烯组的跑步距离明显高于碳纤维组。
研究发现三：石墨烯-FIR热疗改善了小鼠的体温和血流量
为了测试石墨烯FIR能量是否能更有效地改善小鼠体温，试验采用了体温胶囊记录了两组小鼠的核心温度。
对比发现，在红外热疗过程中，石墨烯组的核心温度显著高于碳纤维组。同时石墨烯-FIR明显改善了小鼠的血流量。
研究发现四：石墨烯-FIR热疗改变了肠道微生物群的结构
科学研究证据表明，肠道微生物群与运动耐力之间存在相互联系。
肠道菌群是科研界研究的热点，现有数据证明，运动能力、减肥、癌症治疗都被证明跟它有关系。《自然医学》发表了一项最新研究：优秀马拉松运动员肠道微生物组成更为丰富，其中有一类特殊的菌，可以帮助他们提高运动成绩。为了研究石墨烯-FIR 热疗是否会改变微生物群的组成，该试验对耐力测试后结肠中的微生物群进行了16S 核糖体DNA分析。
测试结果表明：
石墨烯-FIR 热疗改变了肠道微生物群的结构，且增加了肠道微生物群落的多样性。另外，石墨烯-FIR热疗改变了肠道微生物组的代谢组学特征。
肠道微生物群与运动、体能、代谢关系紧密，而试验表明石墨烯热疗可促进肠道的微生物群共生平衡，验证了其通过调节肠道稳态提升运动能力的作用。
研究发现五：石墨烯-FIR热疗通过GPR 43增加了AMPK的磷酸化
AMPK磷酸化，是其被激活的显著特征。
为了阐明微生物代谢在骨骼肌功能和运动能力中的潜在作用，该试验测定了GPR43和 p-AMPK Thr172的蛋白表达。
数据结果表明：石墨烯-FIR处理后小鼠静息和运动状态下GPR43 蛋白表达均明显增加，而碳纤维组则不明显。这说明石墨烯-FIR激活的AMPK可能是SCFAs改变骨骼肌代谢的一个关键机制。说明石墨烯-FIR热疗可通过激活AMPK调节骨骼肌代谢，提升运动能力。
研究发现六：石墨烯-FIR热疗通过AMPK增强肌肉葡萄糖摄取和血流量，从而模拟运动效果
为了验证石墨烯-FIR对糖代谢的影响，研究人员采用荧光成像技术评估了腹部和骨骼肌对葡萄糖的吸收。
数据结果表明：与碳纤维组相比，石墨烯组在运动状态下，可显著增加肌肉和腹部的葡萄糖积累。另外，试验中AMPK抑制剂可以阻断石墨烯-FIR 诱导的葡萄糖摄取增加，这说明石墨烯-FIR热疗增强葡萄糖摄取的作用与激活AMPK有关。
研究发现七：石墨烯-FIR热疗改变了骨骼肌的代谢组学特征
为了探索石墨烯-FIR对骨骼肌代谢的潜在调控作用，试验采用非靶向代谢组学分析了小鼠的骨骼肌样本。
数据结果表明：石墨烯组的代谢物发生了显著变化，其中23种增加（如肌酐和磷酸盐），4种减少（如乳酸）。这说明石墨烯-FIR热疗改变了骨骼肌的代谢组学特征。
研究发现八：石墨烯-FIR热疗可恢复ABX小鼠的跑步耐力
为了进一步证明微生物群在石墨烯-FIR热疗促进运动能力中的作用，，研究团队检测发现，石墨烯-FIR明显减少了ABX小鼠小肠的长度，并降低了粪便颗粒的重量。组织学分析表明，石墨烯-FIR热疗可部分改善受损的肠道形态。
此外，石墨烯-FIR热疗显著增加了ABX小鼠跑步时间，石墨烯-FIR热疗对运动耐力的影响可能是由于恢复了肠道微生物群紊乱和 AMPK 活性。
图为石墨烯-FIR热疗改善了受损的肠道形态。
试验思考：石墨烯-FIR可提升运动带来的益处？
运动时，工作肌肉的血流对肌肉功能至关重要。
通过一系列的数据证明，石墨烯-FIR 热疗增加了股部肌肉和腹部区域的血流量。而微血管血流在肌肉新陈代谢和运动能力方面发挥着重要作用。当骨骼肌微血管血流受肌肉收缩的刺激，有助于营养物质和激素的运输。由于石墨烯-FIR 能够更有效地与细胞频率产生共鸣，因此能够有效地将辐射能量输送到组织中。此外，肌肉中的 AMPK 激活可增加肌肉血管扩张和微血管灌注。
我们初步探明，石墨烯-FIR 热疗能否发挥类似运动模拟剂的作用，通过激活AMPK来提高运动能力和新陈代谢，并且可提升运动带来的益处。这在运动效果提升和运动健康方面，将有广阔的应用前景。
试验讨论：
石墨烯-红外辐射产生的共振效应提高了体温和葡萄糖摄取量，从而促进了新陈代谢。我们认为，石墨烯-FIR热疗通过调节肠道与肌肉的相互作用，刺激了与代谢平衡相关的 AMPK/GLUT4 信号通路。本研究的结果为利用石墨烯-FIR热疗作为运动模拟物改善体力活动和新陈代谢提供了证据，其未来在医疗领域的应用前景十分广阔。
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