年5月25日，医院，JesseEsch医生（右）和心脏病学研究员BrianQuinn为GeorgiaBowen进行线粒体移植手术。摄影：KATHERINETAYLOR,THENEWYORKTIMESVIAREDUX
撰文：EMMAYASINSKI
如果你今天在舞蹈课上看到6岁的Avery，绝对猜不到她曾经差点死于心脏缺陷。Avery出生后不久就接受了第一次心内直视手术，手术后她的大部分心脏受损。在医院治疗了两个月后，医生认为她已经足够健康，可以出院回家了。但几周后，Avery“脸色发青”，又被妈妈JessBlias医院。她的心脏只有一半的泵送能力，需要再次手术。
这一系列培养皿中的神经元（蓝色）照片揭示了细胞如何将移植的线粒体（红色）与这些微型细胞发电厂的原有天然种群(绿色)整合在一起。供图：THEFEINSTEININSTITUTESFORMEDICALRESEARCH
医生们开始为她的心脏移植做准备，他们注意到，在她与体外膜肺氧合（ECMO，为她泵血的机器）断开连接的短暂时间里，她的心脏功能比他们预期的要好一些，这表明这个器官有挽救的可能。就在那时，医院心血管外科医生兼部门主管SitaramEmani找到了Blias，提出为她的女儿实施一项实验性手术：线粒体移植。
这个过程包括收集病人的线粒体——这是一种微小的椭圆形结构，为细胞提供运转所需的能量，并将其注射到受损组织中。如果达到预期效果，健康的线粒体就会被受损细胞吸收，帮助它们从内部愈合。还是婴儿的Avery没有别的选择，“我只能为她祈祷，”Blias说道。幸好手术成功了。Avery的心跳一天比一天强劲，她终于可以回家了。这么多年来，她总共做了六次心脏手术，仍然需要定期的心脏治疗，但如果你今天看到她，肯定不会发现她有什么异常。
现在，科学家们几乎可以肯定，线粒体的注入将启动修复受损心脏、大脑甚至其他器官所需的细胞过程，而这是药物无法做到的。到目前为止，动物模型以及一些患者的首次人体试验结果都很理想，比如Avery。过去的几年里，新的生物技术公司已经开始利用线粒体的力量，将其应用于伤口愈合、抗衰老等各个领域。
仍然有很多东西需要学习，而且在这个阶段，政府对这类研究的资助很少。例如，波士顿研究团队在很大程度上依赖于慈善捐款。华盛顿大学神经外科副教授MichaelLevitt正致力于将线粒体移植到中风患者的大脑中，他说他的团队“没有任何外部资金资金。一切都要靠研究人员的血汗来完成。”
尽管如此，研究线粒体移植的科学家们仍满怀希望地认为，线粒体移植将改变创伤、中风和心脏病发作等一系列疾病的治疗方法。“我们对后续结果什么非常乐观，”华盛顿大学神经外科临床教授、Levitt的同事MelanieWalker说道。
线粒体混乱
线粒体通常被描述为“细胞的发电站”，因为它们能制造一种被称为三磷酸腺苷(ATP)的分子。这种分子可以从人们摄入的食物中储存能量，并利用它为细胞不同部位的活动提供能量。
科学家们早就知道有缺陷的线粒体会导致许多疾病。“线粒体功能障碍是疾病的普遍驱动因素，”阿拉巴马大学伯明翰分校线粒体研究员、美国和印度线粒体研究与医学协会(MitochondrialResearchandMedicineSociety)创始人KeshavSingh说道。无论组织损伤是由疾病还是太空旅行引起的，其中通常会有缺陷线粒体的参与。
年5月25日，医院，JamesMcCully医生准备为手术中的GeorgiaBowen注射线粒体。摄影：KATHERINETAYLOR,THENEWYORKTIMESVIAREDUX
21世纪初，Singh偶然发现了年发表的一篇文章，这激起了他对线粒体的兴趣。作者从抗生素耐药细胞中获取线粒体，并将其转移到仍对药物敏感的正常哺乳动物细胞中。脆弱的细胞从耐药细胞中吸收了线粒体，自身也产生了抵抗力。
Singh从中得到了启示：如果这些发电站可以从一个细胞转移到另一个细胞，并保持其功能，也许它们可以用来治愈线粒体功能失调的组织。
Singh及其团队首先培育了基因工程小鼠，使其细胞产生较少的线粒体。年，他们发表的一项研究显示，这些小鼠有明显的早衰迹象，比如皮肤起皱和脱发。当科学家们重新激活基因提高线粒体的数量时，这些小鼠再次变得毛发旺盛、皮肤紧绷。这一实验清楚地表明，补充减少的线粒体可以恢复活体动物的组织功能。
便捷的合作和最后手段
利用线粒体修复受伤的心脏是其最令人兴奋的潜在应用之一。
医生在修复局部缺血后的组织损伤方面选择有限。大约13年前，在医院研究线粒体和心脏手术的JamesMcCully注意到，缺血后，没有药物可以拯救受损心脏组织中功能失调的线粒体。
“我们开发了心脏保护剂，但无论我们做什么，线粒体都会受损，”他说道。受损的线粒体可能会膨胀或泄漏，使细胞缺乏能量和营养，或发出信号，引发细胞凋亡——程序化的细胞死亡。在他的研究中，McCully发现心脏线粒体已经萎缩，从黑色变成半透明。这样一来，心脏就无法有效地跳动。
“我想也许还有另一种选择，”他说道。McCully开发了一种耗时30分钟的健康线粒体分离技术，分离后的线粒体会被移植到培养皿里的受损组织中，最终移植到活体小鼠和猪身上。
当McCully在实验室工作时，Emani医院的另一边给有心脏缺陷的新生儿做手术。当他听说McCully的研究时，萌生了合作的念头。Emani所做的手术主要是为了修复冠状动脉，危险性很高，有可能会切断流向婴儿心脏的血液。如果发生这种情况，组织就会开始死亡。对Emani来说，唯一的解决办法是让婴儿使用ECMO——一种将含氧血液泵入婴儿体内的机器。剩下的就只有等待，祈祷心脏组织自行愈合。很多时候，情况并不能如人所愿。
Emani与McCully合作，希望寻找一种更好的方法治疗需要ECMO的婴儿。“你可能会认为此举很有争议、有风险，甚至是相当愚蠢的，”Emani说道。“但我们别无选择。因为我们知道，如果没有任何额外的帮助，这些病人就会死亡。”
在打开胸腔，心脏暴露的情况下，患者躺在手术台上，仍与ECMO相连，McCully需要从婴儿的腹部肌肉中提取少量组织样本。他会在手术室的一个实验台上迅速分离肌肉细胞中的线粒体。然后，Emani会在冠状动脉或直接在受损区域附近注射，将大约10亿个这样的线粒体注入到病人的心脏。
年，该团队的第一个病人没能活下来；科学家们认为错过了最佳治疗时机。时间在这里至关重要，因为虽然注射可以帮助修复与受损线粒体抗争的细胞，但不能让死亡的细胞复活。接下来的11个病人中，有8个活了下来，Avery就是其中之一。《纽约时报》在年报道了这一成就。
自那以后，他们只在另外3个婴儿身上实施了这种手术，部分原因是手术技术的进步，“所以我们不经常看到这种并发症或问题，”Emani说道。但基于最初的成功，研究人医院合作，招募儿科患者进行临床试验。
密歇根州立大学研究线粒体缺血性损伤的JasonBazil读了年的这篇报道，他一开始对此持怀疑态度。他说:“我认为恢复的主要原因可能是幼童的再生能力，而非线粒体的注入。”但当他深入研究了McCully的动物实验后，他越来越确信线粒体是关键。
纽约范因斯坦医学研究所的LanceBecker和KeiHayashida认为，Avery经历过的这种线粒体移植手术每年可能会改善数十万名心脏骤停患者的康复情况。
Becker的目标是拯救徘徊在死亡边缘的人，他最著名的成就可能是发展了低温治疗的先驱技术——为心脏骤停患者的身体降温，以减缓组织损伤。现在，他希望线粒体移植能对复苏医学产生类似的变革性影响。
对33只大鼠诱发心脏骤停并进行心肺复苏后，Hayashida借助McCully的技术向每只大鼠的腿部静脉注射了大约10亿个线粒体。他发现90%的大鼠在心脏骤停后存活了下来，而对照组中没有接受线粒体的大鼠只有40%存活下来。目前，该研究结果尚未公布。
实验中，Hayashida还注意到了另一件事：线粒体的作用可能不仅仅是治愈动物的心脏。当心脏停止跳动时，由于流向头部的血液减少，患者也会遭受脑损伤。利用特殊的染料，研究小组追踪了大鼠体内的一些移植线粒体，它们在大脑中显示为发光的红色小点。“这太令人惊讶了”，Hayashida说道，一些线粒体到达了大脑，这表明注射可能有助于治愈大脑和心脏。
Hayashida并不是唯一一个希望线粒体有助于治愈大脑的人。随着有关他实验的消息传开，McCully开始培训其他研究人员，希望利用线粒体来治愈组织。华盛顿大学的Walker向McCully抛来一个问题，如果线粒体可以治愈缺血后的心脏，为什么不能治愈缺血性中风后的大脑呢?
一丝丝希望
与心脏病患者的局部缺血相似，中风会切断流向大脑的血液。即使堵塞物被清除，也会导致严重的脑损伤。“在中风问题上，我们基本上相当于水管工。我们可以把堵塞的东西取出来，恢复血液流动，”华盛顿大学的Levitt说道。“但我们无法控制中风对大脑的损害。”
在学习了如何收集线粒体后，Walker开始用中风小鼠模型进行实验。“看到这些结果，我真的有一种’天哪，它真的起作用了’的感觉，”Levitt说道，他自称对Walker的乐观持怀疑态度。
为了将这一过程应用于人类患者，Walker联系了华盛顿大学另一个实验室的线粒体科学家YaseminSancak。Sancak说，她当时就想，“这太疯狂了，根本行不通。”但与外科医生见面并回顾了他们的研究后，她被深深地吸引了。
就像波士顿的McCully一样，Sancak在手术室里与Walker一起承担了从病人身上分离和纯化线粒体的任务。在她收集线粒体时，时间一分一秒地流逝，外科医生在等待将它们注射到病人的大脑中。
该研究小组已经通过线粒体移植治疗了3名中风患者。目前为止，他们可以肯定这项手术是安全的，并推测它还有一些额外的好处。“就中风的严重程度而言，有两名病人恢复得相当不错，”Levitt说道。第三名患者的情况没有那么好，但研究人员怀疑这是因为他在最近一次中风之前已经有过几次中风，因而预后较差。
研究小组目前还没有客观的方法来衡量这种疗法的效果，但Walker说，他们的脑部扫描中出现了一些积极的迹象。对中风患者的扫描通常会显示一种被称为“奢侈灌注”的现象，这是脑损伤的信号。即使一个人中风后幸存下来，这种现象也不会消失。
“我们永远不会发布这个消息；它永远经不起推敲，”Levitt说道。但一位放射科医生在不了解该团队研究工作的情况下观察了这些扫描结果，并评论说，奢侈灌注的减少有多么的不寻常。那一刻给大家带来了一丝丝希望，让人们相信移植真的有效。“不仅仅是我们，”他说道。
调节再生
到目前为止，线粒体移植在人类和实验室动物身上都是安全的。“没有炎症反应，也没有任何副作用，”McCully说道。但Emani强调，如果线粒体不纯或破碎，结果可能会不同，因为这些破碎的“发电站”会损害组织，而不是治愈它。
Emani一直在与美国食品药品监督管理局（FDA）商讨如何控制这些移植手术的实施方式。多年来，FDA一直在打击类似的手术——干细胞移植。干细胞移植刚出现时基本上不受监管，后来出现了几起备受