生物靈感如何為當代醫療帶來創新-專訪哈佛醫學院 Jeffrey Karp 博士

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所謂創新,就是尋找解決問題的新方法,但通常知易行難。如何讓思維跳出既有框架是創新的重要因素,但如果我們仔細地觀察周圍的環境,會發現複雜問題的答案很可能就在眼前。畢竟,有誰能比經過百萬年演化、孕育萬物的大自然更了解這個世界呢? 哈佛醫學院-布萊根婦女醫院的醫學教授 Jeffrey Karp 博士說:「數百萬年來,自然界一直是透過進化來解決問題。」 Karp 博士是致力於生物靈感醫學創新(bioinspired medical innovations)的領導者。他也是一位知名的連續創業家,至今創立了 7 家公司,並以年輕的新創家身分獲得了許多榮耀。他的努力吸引了包括生物製藥和政府機構在內的多個著名組織挹注資金贊助他的研究。

一段從化學工程到生物醫學工程之路

Karp 博士的職涯軌跡相當有趣。因此,我們從他開始萌生想成為一位科學家的年紀開始聊起。他說道:「我本來在麥吉爾大學(McGill University)主修生物學,但是第一年結束時,轉到了化學工程系,主要原因是生物學期末考試成績並不理想,讓我開始思考自己的未來。那時,我沉迷於尋找解決難題的過程,經過一番自我檢視後,我決定改修工程學,因為它最接近我真正喜歡的物理學。」然而,有關冰箱或造紙廠的工作原理等課程,很快地使他意識到自己志不在此。「一路走來,我花了三個夏天在一個生物技術實驗室工作,這激發了我對研究的興趣。到了第三年,我開始考慮將醫學和工程相結合,朝設計醫學療法的職業方向邁進。但我申請了三所醫學院通通都拒絕了我。」

Karp 博士總是透過環境周遭汲取靈感,例如,在咖啡店他無意中聽到學生正在談論加拿大麥吉爾大學的生物醫學和組織工程課程,在得知該課程可以在大學的最後一年修完這些研究所課程後,他聯繫那位教授,然而該教授提出他必須先修三門生理學的課程作為條件。「我大學延畢一年,取得了包括解剖學、哲學等在內的學分,這些課程後來成為我最喜歡的課程之一。」Karp 博士提道。擁有雙重專業知識,加上他所接受的研究訓練與問題解決的能力,讓他繼續展開多倫多大學化學與生物醫學工程博士的求學之路。

熱愛轉譯研究–麻省理工學院之旅

Karp 博士隨後解釋了他是如何進入麻省理工學院-羅伯特·蘭格(Robert Langer)教授的實驗室。「我在念博士班時,進入了生物醫學和組織工程這個嶄新的世界。當時,大量的頂尖研究皆來自羅伯·蘭格(Robert Langer)的實驗室,他在這個領域中享有盛譽」。Karp 博士很早就意識到自己不想侷限於學術界寫研究論文,他更希望能將科學理論轉化為實際應用,而其博士學位的指導教授也非常具有企業家精神,自己創立了公司,因此,Karp 博士說:「我看到了巨大的契機,可以將實驗室研究,轉化為對世界產生積極影響的工具」。

「由於 Langer 教授也在此研究領域,並且是其中的佼佼者,所以我決定向他的實驗室申請博士後研究。我寫了一封電子郵件,主題為『具有偉大理想的博士後候選人』,並描述了我想解決的問題。」 Karp 博士分享說,自從獲得加拿大政府兩年的資助以來,他終於實現夢想,加入了 Langer 博士的實驗室,而這個實驗室完全致力於現有專案開發。

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激發生物靈感的啟發性因素

當被問到是什麼契機激發他的生物靈感(bioinspiration)時,Karp博士回憶起當他還是博士後研究員時,某天他注意到一篇期刊,上面有一張蜘蛛人掛在天花板的照片。這是《Nature》雜誌的一篇論文,作者透過了解壁虎如何只用單個腳趾懸掛在表面上的概念,開發出合成膠帶。研究人員模仿壁虎腳部的奈米結構轉為宏觀結構,讓膠帶能夠達到高度的附著力。

他說:「蜘蛛人這個角色是概念的關鍵。它讓我開始思考可以如何藉由大自然發展新科技來解決問題。當時,我們正在開發組織黏合劑。因此,我們自問是否可以採用這種概念來構建具生物相容性和可生物分解的膠帶。我與臨床醫師在討論中意識到,醫學上對於能更佳地密封組織或將裝置固定到組織的方法,存在著大量的需求。這就是我進入生物靈感領域的原因,我們的著作帶來了可觀的資金收入,後來因此成為以生物靈感為重點的研究項目。」這促成了 Gecko Medical(現為 Tissium)公司的成立,為組織重建開發了創新的解決方案。

生物靈感與仿生

當被問及生物靈感是否為精確複製自然的一種方式時,Karp 博士解釋了「仿生」(biomimicry)與「生物靈感」之間的區別。仿生學是人們在自然界中學習並複製的產物;而生物靈感則是在解決生物學問題時,轉向自然尋求靈感。這種情況說明了數百萬年來,問題都在演化過程中迎刃而解。「很可能我們現在遇到的問題早已在大自然中解決了,如果我們能夠了解某些生物如何克服挑戰,那麼就可以利用這些方法來處理我們正在研究的問題。因此,生物靈感不是模仿自然,而是從自然中學習。除了生物靈感與仿生,另外有第三個概念我們其實已經執行了很長的一段時間,就是使用自然界中發現的材料,例如從植物中提取化合物來治療疾病。」

他解釋說,在他的實驗室中,研究重點在於生物靈感與擴大其應用。「有些專案是基於好奇心開始的,但整體來說,我們一直專注於解決問題。只有在專案進行的過程中遇到障礙時,我們才會向自然尋求靈感。生物靈感並不是一個最終目標,所以我們不會嘗試將它應用在每個專案中。」

兼顧不同的角色與專案

當談到如何同時身兼企業家並管理一個多學科實驗室時,他將這種技能歸因於擁有眾多興趣和持續駕馭這些興趣的渴望。「由好奇心驅使的探索總是非常地令人興奮,但是我對於將新療法帶給患者更是充滿熱忱。因此,我很早就決定要建立自己的實驗室,除了進行嚴謹的科學研究外,我還希望每個專案都可以推進到實質轉化階段。」

「另一個重要原因是,工程這領域通常是非常注重團隊合作的,而協調團隊的人不一定必須擁有全部知識,只要團隊中有一個專職人員,並專注將必要知識應用來指導專案即可。我在實驗室中嘗試建立的模式是將解決工程問題的過程應用於醫學,並沒有針對特定疾病或技術。」

他進一步解釋說,不斷地研究新問題可以讓他時時督促自己,這樣的過程可以幫助確立關鍵實驗的癥結點,進而開發出新技術。「我們沉迷於發現問題以及將知識轉化為技術的過程。因此,我的實驗室是高度跨學科的結構,由不同背景的成員組成且專業知識很少重疊。我們有來自 30 多個國家/地區的人員,他們的教育背景和過去經驗都不同。」他還提到為實驗室提供無上限的使用資源相當重要。「我有多個從屬和平行的合作關係,有助於減少活化能量的障礙」。

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穩健的進展過程

當問到他作為企業家的成功經歷時,Karp 博士認為這是出於對自己目標的認識並與他的熱情相吻合。「隨著時間的累積,我對喜愛事物的直覺有助於我做出正確的決定;與產業和學術界人士的互動,以及辨認社群中的關鍵問題都有助於這項事業。此外,持續思考將基礎研究轉化為新的機會有助於開發新技能。」他強調,在過程中他逐漸掌握了智慧財產權、製造與臨床試驗設計等方面的知識,並說:「很多時候,人們專注於最終結果,但其實在過程中我就已經付出了非常多的精神與努力。」

專注於基礎與簡單性

Karp 博士的工作所產生的技術主要集中於簡單和基本問題上。當被問到是否刻意尋求特定問題時,Karp 博士表示他會追求任何有趣的問題。「我們對解決各種問題感興趣,無論問題是來自閱讀中的疑惑、偶然發生的事件或是合作對象帶來的挑戰都沒有關係。有時候,我們可能沒有合適的專業知識來處理某些事情。但是,新的挑戰總是使我們的思緒充滿活力。我們需要一直進步,因為我們不是特定領域的專家。」

關於 Karp 博士創立公司的一些小故事

Skintifique 

Skintifique 是世界上第一款可以防止鎳和其他金屬造成刺激性過敏的護膚產品。Karp 博士敘述了研究鎳過敏的想法是如何產生的。他說:「那天,我和皮膚科醫師 Rox Anderson博士共進晚餐,他曾實務化許多方法來服務數百萬的患者。我試圖找出能與他合作的方式。而那天晚上,我拿下結婚戒指時,發現手指上的皮膚泛紅。我發現自己對鎳過敏,這正是後來我與 Anderson 博士合作的關鍵。」

Frequency Therapeutics

「以 Frequency Therapeutics 這家公司來說,其實我最初和 Langer 博士合作時是專注於腸道上皮組織的研究,並考慮往再生應用發展。但後來我們有了一些新發現,引領我們進入內耳和耳蝸的領域。」頻率療法使用其專有的方法活化前軀幹細胞(Progenitor Cell Activation, PCA),該方法將活化前軀幹細胞的小分子組合對抗感覺神經性聽損(Sensorineural Hearing Loss, SNHL)。 去年 10 月,該公司宣布上市,首次公開募股(initial public offering, IPO)600 萬股。

Alivio  Therapeutics

「我們的博士後研究員 Praveen 開發了幾種自行組裝的新型水凝膠。我看到了這些材料的巨大潛力,但我從經驗中學到了使事情盡可能簡單的方法。 我們決定選擇 FDA 安全清單中的免疫調節藥物。這些新型水凝膠可以網羅多種藥物,然後根據內部線索將藥物指引至發炎組織中。」

總結:

採訪接近尾聲時,我們問到近來的最新趨勢-個人化藥物,是否也能從生物靈感中受益。Karp 博士說:「我傾向於更廣泛地思考問題,並儘量不追逐新潮流。我認為我們不能在任何事情上都套上生物靈感的模子,重要的是要知道我們投資的方向。正如我所提到的,我們可以集中精力定義要解決的特定問題,看看生物靈感是否可以提出解決方案,來克服這個問題。」

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撰文/  Rajaneesh K Gopinath

翻譯/  Miggy Chang

審稿/  Thomas Huang, Parker Yang

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