生物灵感如何为当代医疗带来创新-专访哈佛医学院 Jeffrey Karp 博士

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所谓创新,就是寻找解决问题的新方法,但通常知易行难。如何让思维跳出既有框架是创新的重要因素,但如果我们仔细地观察周围的环境,会发现复杂问题的答案很可能就在眼前。毕竟,有谁能比经过百万年演化、孕育万物的大自然更了解这个世界呢? 哈佛医学院-布莱根妇女医院的医学教授 Jeffrey Karp 博士说:“数百万年来,自然界一直是透过进化来解决问题。” Karp 博士是致力于生物灵感医学创新(bioinspired medical innovations)的领导者。他也是一位知名的连续创业家,至今创立了 7 家公司,并以年轻的新创家身分获得了许多荣耀。他的努力吸引了包括生物制药和政府机构在内的多个著名组织挹注资金赞助他的研究。

一段从化学工程到生物医学工程之路

Karp 博士的职涯轨迹相当有趣。因此,我们从他开始萌生想成为一位科学家的年纪开始聊起。他说道:“我本来在麦吉尔大学(McGill University)主修生物学,但是第一年结束时,转到了化学工程系,主要原因是生物学期末考试成绩并不理想,让我开始思考自己的未来。那时,我沉迷于寻找解决难题的过程,经过一番自我检视后,我决定改修工程学,因为它最接近我真正喜欢的物理学。”然而,有关冰箱或造纸厂的工作原理等课程,很快地使他意识到自己志不在此。“一路走来,我花了三个夏天在一个生物技术实验室工作,这激发了我对研究的兴趣。到了第三年,我开始考虑将医学和工程相结合,朝设计医学疗法的职业方向迈进。但我申请了三所医学院通通都拒绝了我。”

Karp 博士总是透过环境周遭汲取灵感,例如,在咖啡店他无意中听到学生正在谈论加拿大麦吉尔大学的生物医学和组织工程课程,在得知该课程可以在大学的最后一年修完这些研究所课程后,他联系那位教授,然而该教授提出他必须先修三门生理学的课程作为条件。“我大学延毕一年,取得了包括解剖学、哲学等在内的学分,这些课程后来成为我最喜欢的课程之一。”Karp 博士提道。拥有双重专业知识,加上他所接受的研究训练与问题解决的能力,让他继续展开多伦多大学化学与生物医学工程博士的求学之路。

热爱转译研究–麻省理工学院之旅

Karp 博士随后解释了他是如何进入麻省理工学院-罗伯特·兰格(Robert Langer)教授的实验室。“我在念博士班时,进入了生物医学和组织工程这个崭新的世界。当时,大量的顶尖研究皆来自罗伯·兰格(Robert Langer)的实验室,他在这个领域中享有盛誉”。Karp 博士很早就意识到自己不想侷限于学术界写研究论文,他更希望能将科学理论转化为实际应用,而其博士学位的指导教授也非常具有企业家精神,自己创立了公司,因此,Karp 博士说:“我看到了巨大的契机,可以将实验室研究,转化为对世界产生积极影响的工具”。

“由于 Langer 教授也在此研究领域,并且是其中的佼佼者,所以我决定向他的实验室申请博士后研究。我写了一封电子邮件,主题为‘具有伟大理想的博士后候选人’,并描述了我想解决的问题。” Karp 博士分享说,自从获得加拿大政府两年的资助以来,他终于实现梦想,加入了 Langer 博士的实验室,而这个实验室完全致力于现有专案开发。

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激发生物灵感的启发性因素

当被问到是什么契机激发他的生物灵感(bioinspiration)时,Karp博士回忆起当他还是博士后研究员时,某天他注意到一篇期刊,上面有一张蜘蛛人挂在天花板的照片。这是《Nature》杂志的一篇论文,作者透过了解壁虎如何只用单个脚趾悬挂在表面上的概念,开发出合成胶带。研究人员模仿壁虎脚部的奈米结构转为宏观结构,让胶带能够达到高度的附着力。

他说:“蜘蛛人这个角色是概念的关键。它让我开始思考可以如何借由大自然发展新科技来解决问题。当时,我们正在开发组织黏合剂。因此,我们自问是否可以采用这种概念来构建具生物相容性和可生物分解的胶带。我与临床医师在讨论中意识到,医学上对于能更佳地密封组织或将装置固定到组织的方法,存在着大量的需求。这就是我进入生物灵感领域的原因,我们的著作带来了可观的资金收入,后来因此成为以生物灵感为重点的研究项目。”这促成了 Gecko Medical(现为 Tissium)公司的成立,为组织重建开发了创新的解决方案。

生物灵感与仿生

当被问及生物灵感是否为精确复制自然的一种方式时,Karp 博士解释了“仿生”(biomimicry)与“生物灵感”之间的区别。仿生学是人们在自然界中学习并复制的产物;而生物灵感则是在解决生物学问题时,转向自然寻求灵感。这种情况说明了数百万年来,问题都在演化过程中迎刃而解。“很可能我们现在遇到的问题早已在大自然中解决了,如果我们能够了解某些生物如何克服挑战,那么就可以利用这些方法来处理我们正在研究的问题。因此,生物灵感不是模仿自然,而是从自然中学习。除了生物灵感与仿生,另外有第三个概念我们其实已经执行了很长的一段时间,就是使用自然界中发现的材料,例如从植物中提取化合物来治疗疾病。”

他解释说,在他的实验室中,研究重点在于生物灵感与扩大其应用。“有些专案是基于好奇心开始的,但整体来说,我们一直专注于解决问题。只有在专案进行的过程中遇到障碍时,我们才会向自然寻求灵感。生物灵感并不是一个最终目标,所以我们不会尝试将它应用在每个专案中。”

兼顾不同的角色与专案

当谈到如何同时身兼企业家并管理一个多学科实验室时,他将这种技能归因于拥有众多兴趣和持续驾驭这些兴趣的渴望。“由好奇心驱使的探索总是非常地令人兴奋,但是我对于将新疗法带给患者更是充满热忱。因此,我很早就决定要建立自己的实验室,除了进行严谨的科学研究外,我还希望每个专案都可以推进到实质转化阶段。”

“另一个重要原因是,工程这领域通常是非常注重团队合作的,而协调团队的人不一定必须拥有全部知识,只要团队中有一个专职人员,并专注将必要知识应用来指导专案即可。我在实验室中尝试建立的模式是将解决工程问题的过程应用于医学,并没有针对特定疾病或技术。”

他进一步解释说,不断地研究新问题可以让他时时督促自己,这样的过程可以帮助确立关键实验的症结点,进而开发出新技术。“我们沉迷于发现问题以及将知识转化为技术的过程。因此,我的实验室是高度跨学科的结构,由不同背景的成员组成且专业知识很少重叠。我们有来自 30 多个国家/地区的人员,他们的教育背景和过去经验都不同。”他还提到为实验室提供无上限的使用资源相当重要。“我有多个从属和平行的合作关系,有助于减少活化能量的障碍”。

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稳健的进展过程

当问到他作为企业家的成功经历时,Karp 博士认为这是出于对自己目标的认识并与他的热情相吻合。“随着时间的累积,我对喜爱事物的直觉有助于我做出正确的决定;与产业和学术界人士的互动,以及辨认社群中的关键问题都有助于这项事业。此外,持续思考将基础研究转化为新的机会有助于开发新技能。”他强调,在过程中他逐渐掌握了智慧财产权、制造与临床试验设计等方面的知识,并说:“很多时候,人们专注于最终结果,但其实在过程中我就已经付出了非常多的精神与努力。”

专注于基础与简单性

Karp 博士的工作所产生的技术主要集中于简单和基本问题上。当被问到是否刻意寻求特定问题时,Karp 博士表示他会追求任何有趣的问题。“我们对解决各种问题感兴趣,无论问题是来自阅读中的疑惑、偶然发生的事件或是合作对象带来的挑战都没有关系。有时候,我们可能没有合适的专业知识来处理某些事情。但是,新的挑战总是使我们的思绪充满活力。我们需要一直进步,因为我们不是特定领域的专家。”

关于 Karp 博士创立公司的一些小故事

Skintifique 

Skintifique 是世界上第一款可以防止镍和其他金属造成刺激性过敏的护肤产品。Karp 博士叙述了研究镍过敏的想法是如何产生的。他说:“那天,我和皮肤科医师 Rox Anderson博士共进晚餐,他曾实务化许多方法来服务数百万的患者。我试图找出能与他合作的方式。而那天晚上,我拿下结婚戒指时,发现手指上的皮肤泛红。我发现自己对镍过敏,这正是后来我与 Anderson 博士合作的关键。”

Frequency Therapeutics

“以 Frequency Therapeutics 这家公司来说,其实我最初和 Langer 博士合作时是专注于肠道上皮组织的研究,并考虑往再生应用发展。但后来我们有了一些新发现,引领我们进入内耳和耳蜗的领域。”频率疗法使用其专有的方法活化前躯干细胞(Progenitor Cell Activation, PCA),该方法将活化前躯干细胞的小分子组合对抗感觉神经性听损(Sensorineural Hearing Loss, SNHL)。 去年 10 月,该公司宣布上市,首次公开募股(initial public offering, IPO)600 万股。

Alivio  Therapeutics

“我们的博士后研究员 Praveen 开发了几种自行组装的新型水凝胶。我看到了这些材料的巨大潜力,但我从经验中学到了使事情尽可能简单的方法。 我们决定选择 FDA 安全清单中的免疫调节药物。这些新型水凝胶可以网罗多种药物,然后根据内部线索将药物指引至发炎组织中。”

总结:

采访接近尾声时,我们问到近来的最新趋势-个人化药物,是否也能从生物灵感中受益。Karp 博士说:“我倾向于更广泛地思考问题,并尽量不追逐新潮流。我认为我们不能在任何事情上都套上生物灵感的模子,重要的是要知道我们投资的方向。正如我所提到的,我们可以集中精力定义要解决的特定问题,看看生物灵感是否可以提出解决方案,来克服这个问题。”

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撰文/  Rajaneesh K Gopinath

翻译/  Miggy Chang

审稿/  Thomas Huang, Parker Yang

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