科学家们正在研究线粒体（细胞中产生能量的组成部分）治疗疾病的能力。
詹姆斯·麦卡利（James McCully）正在实验室中从细胞中提取称为线粒体的小型结构，这时他的研究团队冲了进来。他们一直在对猪的心脏进行手术，但无法使其恢复正常跳动。麦卡利在波士顿儿童医院和哈佛医学院研究心脏损伤预防，并对线粒体表现出浓厚兴趣。这些能量产生的细胞器对心脏等高能量需求器官尤为重要。麦卡利一直在思考，将健康的线粒体移植到受伤的心脏中是否有助于恢复其功能。
猪的心脏迅速变灰，因此麦卡利决定尝试一下。他将提取的线粒体装入注射器中，并直接注入心脏。在麦卡利眼前，心脏开始正常跳动，恢复了粉红色。
自大约20年前的那天以来，麦卡利和其他研究人员在猪和其他动物中复制了这一成功。随后进行了人类移植手术，在心脏手术后出现并发症的婴儿中进行移植，从而激发了一个新的研究领域，即使用线粒体移植治疗受损器官和疾病。在过去五年中，越来越多的科学家开始探索线粒体移植在心脏骤停后的心脏损伤、中风后的脑损伤以及预定移植器官的损伤中的应用。
线粒体最著名的是为细胞产生可用能量。但它们还发送分子信号，帮助维持身体的平衡并管理其免疫和应激反应。某些类型的细胞可能自然地将健康的线粒体捐赠给其他需要的细胞，例如中风后的脑细胞，这一过程称为线粒体转移。因此，一些科学家认为，通过移植线粒体来恢复受损组织的临床过程是有意义的。
从兔子和大鼠心肌细胞的研究中，麦卡利的团队报告称，细胞的质膜包裹线粒体并将它们带入细胞内部，与细胞内部的线粒体融合。在那里，它们似乎引起分子变化，有助于恢复心脏功能：当比较接受线粒体治疗的血液和氧气剥夺的猪心脏与接受安慰剂的心脏时，麦卡利的团队发现基因活动和蛋白质的差异表明细胞死亡和炎症较少。
大约十年前，波士顿儿童医院的心脏外科医生西塔拉姆·埃马尼（Sitaram Emani）联系了麦卡利，讨论他在动物心脏方面的研究。埃马尼看到一些患有心脏缺陷的婴儿在心脏手术并发症后无法完全康复，并想知道麦卡利的线粒体移植方法是否能帮助他们。
在修复心脏缺陷的手术过程中，外科医生使用一种药物来停止心脏以便进行操作。但如果心脏长时间缺血缺氧，线粒体开始失效，细胞开始死亡，这种情况称为缺血。当血液再次流动时，不仅不能使心脏恢复正常状态，反而会损伤和杀死更多细胞，导致缺血再灌注损伤。
由于麦卡利在兔子和猪身上进行了八年的研究，没有发现线粒体移植的安全问题，因此麦卡利和埃马尼认为，对于那些不太可能恢复足够心脏功能以脱离心肺支持的婴儿来说，尝试这一程序是值得的。
10位患者的父母同意了这一实验程序，该程序获得了研究所评审委员会的批准。在2015年至2018年期间进行的初步研究中，麦卡利从心脏手术切口处提取了铅笔橡皮大小的肌肉样本，使用过滤技术分离线粒体并检查其功能。然后，团队将这些细胞器注入婴儿的心脏。
该团队在2021年报告称，10名婴儿中有8名恢复了足够的心脏功能以脱离生命支持，而2002年至2018年期间的历史对照组中，14名类似病例中只有4名恢复。治疗还缩短了恢复时间，线粒体移植组的平均恢复时间为两天，而历史对照组为九天。两名患者未能存活——其中一例是在婴儿其他器官开始衰竭后进行干预，另一例则在四个月后出现了肺部问题。该团队现已对17名婴儿进行了此程序。
移植程序仍然是实验性的，尚未适用于更广泛的临床应用，但麦卡利希望有一天可以用于治疗因血液流动中断导致的肾脏、肺、肝脏和肢体损伤。
这一结果激发了其他临床医生的灵感，他们的患者也遭受类似的缺血再灌注损伤。其中一种是缺血性中风，血栓阻止血液到达大脑。医生可以溶解或物理移除血栓，但他们缺乏保护大脑免受再灌注损伤的方法。"你看到患者失去了行走或说话的能力，"西雅图华盛顿大学医学院的血管神经外科医生梅勒妮·沃克（Melanie Walker）说。"你只是想做得更好，但目前还没有什么可用的。"
沃克在12年前看到了麦卡利的线粒体移植研究，并在进一步阅读时特别注意了一份由马萨诸塞州总医院和哈佛医学院的研究人员撰写的关于小鼠的报告，该报告显示大脑的支持和保护细胞——星形胶质细胞——可能会将部分线粒体转移到中风受损的神经元以帮助它们恢复。她认为，线粒体移植可能在人类中风病例中也能有所帮助。
她花了数年时间与动物研究人员合作，以确定如何安全地将线粒体输送到大脑。她在一项仅有4名缺血性中风患者的临床试验中测试了该程序的安全性，使用通过颈部动脉插入的导管手动移除导致中风的阻塞，然后将导管进一步推进并释放线粒体，这些线粒体会沿着血管旅行到大脑。
2024年发表在《脑血流与代谢杂志》上的研究结果表明，接受线粒体注射的患者未受到伤害；该试验并未设计来测试有效性。沃克的团队现在正在招募参与者，以进一步评估该干预措施的安全性。下一步将是确定线粒体是否到达了需要的地方并正常工作。"在我们能够证明这一点之前，我不相信我们可以说它有治疗益处，"沃克说。
研究人员希望，线粒体移植也可能对器官捐赠有所帮助。供体器官如肾脏在缺乏血液供应太久时会受到损伤，移植外科医生可能会拒绝那些有较高损伤风险的肾脏。
为了测试线粒体移植是否可以使其恢复活力，位于温斯顿-塞勒姆的维克森林大学医学院的移植外科医生-科学家朱塞佩·奥兰多（Giuseppe Orlando）及其同事将线粒体注入四只猪的肾脏，而将对照物质注入三只猪的肾脏。他们在2023年的《外科年鉴》上报告称，接受线粒体治疗的肾脏中死亡细胞较少，损伤也小得多。分子分析还显示能量生产显著增强。
奥兰多表示，目前还处于早期阶段，但他相信线粒体移植可能成为挽救次优器官用于捐赠的宝贵工具。
这些研究引起了兴奋和怀疑。"这当然是一个非常有趣的领域，"加州大学伯克利分校的线粒体生物学家康宁·沈（Koning Shen）说，她是2022年《细胞与发育生物学年度评论》中关于线粒体信号作用概述的合著者之一。她补充说，扩大线粒体提取规模以及学习如何储存和保存分离的细胞器是使这些治疗方法成为更大现实的主要技术障碍。"如果人们能够达到那个阶段，那将是惊人的，"她说。
"我认为有很多有思想的人在仔细研究这个问题，但我觉得最大的问题是，机制是什么？"芝加哥西北大学的线粒体研究员纳文迪普·钱德尔（Navdeep Chandel）说。他怀疑供体线粒体能否修复或替代功能失调的原生细胞器，但表示线粒体捐赠可能会触发应激和免疫信号，间接有益于受损组织。
无论机制如何，一些动物研究确实表明，线粒体必须是功能正常的才能带来益处。纽约北威尔健康中心的急诊医学主席兰斯·贝克（Lance Becker）研究线粒体在心脏骤停中的作用，他进行了一项研究，比较新鲜线粒体、冷冻后解冻的线粒体和安慰剂治疗心脏骤停后的大鼠。接受新鲜、功能正常的线粒体的11只大鼠在三天后的大脑功能和存活率均优于接受安慰剂的11只大鼠；非功能性的冷冻-解冻线粒体并未带来这些益处。
研究人员表示，在线粒体移植获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准并广泛用于治疗缺血再灌注损伤之前，还需要更多关于线粒体疗法机制的研究、改进的线粒体输送技术、更大规模的试验以及一系列报告的成功案例。最终目标是创建一个通用的储存线粒体供应库——某种意义上的线粒体银行，供各种医疗服务提供者在移植中使用。
"我们还处于非常早期的阶段——我们不知道它是如何工作的，"贝克说。"但我们知道它在做一些非常有趣的事情。"
杰姬·罗彻勒（Jackie Rocheleau）是一位独立的科学记者，专注于生命科学和医学，特别关注大脑。本文转载自《可理解杂志》。
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