坚持差异化创新推动研究成果转化——记清华大学医学院生物医学工程系助理教授马恺.pdf

创新之路60 科学中国人 2023年10月坚持差异化创新 推动研究成果转化记清华大学医学院生物医学工程系助理教授马恺李 莉祝传海“要成为一名优秀的科学家，首先应该是一名艺术家”，这句话是清华大学医学院生物医学工程系助理教授马恺多年致力科研创新的生动注脚。药物递送系统常被比喻为“生物导弹”，可以通过载体制剂将药物弹头精准投递到病灶，在基因编辑、基因治疗、mRNA疫苗、靶向药物递送等前沿医药领域发挥着不可或缺的关键作用。新型药物递送系统是新一代生物医药发展过程中亟须解决的关键核心技术之一。针对这一问题，从中国科学技术大学到美国康奈尔大学，从美国又回到中国，马恺坚持着“艺术家”力求创新和追求差异化发展的理念和研究思路十余年来专注于硅基药物递送系统的基础研究和临床转化，利用硅基化学的独特技术优势解决传统药物递送系统的痛点，并针对临床未被满足的需求推动临床转化。多年来，他开展多项临床转化工作，获得多项美国食品药品监督管理局（FDA）的临床批件；率先将超小尺寸硅基纳米医药推进期和期临床试验，用于术中成像和实体肿瘤靶向治疗。目前已有数十项专利成果成功实现转化。回到国内，他希望与团队一起携手开展新一代差异化药物递送技术的研发和临床转化，助力我国在前沿生物医药领域的弯道超车。蜕变 从物理到生物医药的科研之路“21世纪是生物的世纪”“21世纪是纳米的世纪”，类似的判断至今仍影响广泛。事实上，马恺从小喜欢的是物理，高中毕业后，他毅然报考了中国科学技术大学（以下简称“中科大”）物理系，并在本科4年的时间里打下了坚实的数理基础。也正是这一基础，构成了他未来专注科研的一个独特优势。2009年，本科毕业的马恺选择前往美国康奈尔大学攻读材料科学与工程系博士学位，并最终确定以生物材料作为自己的研究方向。巧合的是，他与夫人同是中科大毕业的校友，在他攻读物理学的时候，夫人读的是生物学。两人共同前往美国康奈尔大学后，夫人在分子生物学和基因编辑领域向着医药领域继续耕耘，马恺也逐渐从生物材料学研究偏向医药领域。二人在生活中“夫唱妇随”，科学研究上也“殊途同归”。中科大给了马恺心无杂念读书研究的空间，康奈尔大学略微闭塞的环境，同样让他能够心无杂念专心做科研。赴美读博1年后，马恺就与美国食品药品监督管理局“打上了交道”，且迅速找到了自己的科研方向。在康奈尔大学，马恺完成了自己在科研细分领域的一次次创新，实现了诸多基础科学问题的突破，属于他的荣誉和机遇也接踵而至：2012年获美国康奈尔大学杰出助教荣誉；2013年成为美国国家自然科学基金资助的青年科学家；2014年开始，他有关超小硅氧体生物材料的科研成果就已经开始转化临床应用，并获得美国国立卫生研究院（NIH）的资助。相关成果作为支撑推动了纪念斯隆凯特琳-康奈尔癌症纳米医学临床转化中心的成立。2015年，马恺拿到博士学位，并获得美国康奈尔大学卓越博士生研究奖。此后他在美国马恺2023年10月 科学中国人 61康奈尔大学和纪念斯隆凯特琳-康奈尔癌症纳米医学临床转化中心从事博士后研究，继续加快推进超小硅氧体生物材料的科研成果转化。在2018年马恺以第一作者身份发表于自然杂志上的一篇论文中，他和团队在硅氧体生物材料的研发应用研究中创造了多个首次，如首次发现硅氧体可以和表面活性剂胶束自发组装形成正十二面体的类病毒精巧结构；首次用冷冻电子显微镜单颗粒三维重构技术来表征无机纳米材料等。同时，他们创造发明的这一套新型硅氧体合成和修饰化学系统，首次实现了超小硅氧体生物材料的药品生产质量管理规范（GMP）宏量合成。经过几年的努力后，马恺和团队还首次将这一材料应用推向临床应用，并获得了6个临床批件。如今，进展最快的已进入期临床试验，居于世界前沿。在马恺的科研道路上，两位导师起到了关键的引导作用。本科导师俞书宏院士是马恺学术思维的奠基人，俞书宏告诉马恺，其实做科研很简单，就是要多读论文、多思考、多做实验。多读论文，才能了解最前沿的知识体系；多思考，意味着需要大胆提出构想并仔细计划好实验的步骤；多做实验，才能去验证和改进你的一些构想。而在美国康奈尔大学的博士生导师同样给予了马恺很大的帮助。读博期间，乌尔里希维斯纳（Ulrich Wiesner）教授就如何做好科研与他多次展开语重心长的对话，引导他走向正确的科研道路。在学习的前两年，导师对马恺提出的要求是注重培养自己解决问题的能力。到了第三年，导师又告诉他说：“我觉得你解决问题的能力已经有了，但要想成为一名优秀的科学家，还要有发现问题的能力，这比解决问题更难。”随着研究走向另一重境界，马恺逐渐意识到，越是深入，自己越需要有更多的阅历，了解更多的东西，才能去发现问题。在导师的引领下，马恺针对传统药物递送技术的缺陷，研发了一个硅氧体药物递送平台，利用新型硅氧体溶胶凝胶化学体系，突破了传统药物递送系统在靶向特异性方面的缺陷，实现对小分子药物、多肽分子、诊疗核素和荧光染料分子诊疗基团的大容量精准体内递送。2017年，依托与导师及其团队的有关研究成果，马恺作为联合创始人在美国创立了易达生物技术公司（Elucida Oncology），并担任公司首席技术官，领导公司技术平台的搭建和临床转化。在很短的时间里，公司就完成了数轮融资。在此期间，马恺还兼任美国纪念斯隆凯特琳癌症中心访问科学家。一起创业之后，导师又对马恺提出了第三个要求。他说，其实一个人的成功不仅要看业务能力，还要看视野和格局，以及持之以恒的精神。而最令马恺记忆深刻的就是导师的那句话：“要成为一名优秀的科学家，首先应该是一名艺术家。要有艺术家创新的灵魂，才能把科研做好。”“要开展创造性的工作，而不是复制或简单跟随前人的路”，在美国多年创业的过程中，马恺坚守这一信念。幸运的是，他一路遇到了许多“贵人”，不少前辈都就如何实现科研转化的问题，给他提供了中肯建议。博士毕业7年，马恺实现了转变学会了如何从产业角度来看待一个新的技术，学会了如何将技术从实验室推向临床转化，学会了如何统筹资源运营一个团队聚焦临床转化和技术落地，他和公司将多项基于新型生物材料的药物递送系统和医学影像探针推进、期人体临床试验。一步一个脚印，他们将研究搬下象牙塔惠及人类健康的梦想离得越来越近。回国 填补生物医药材料领域空白13年的海外生涯，马恺实现了自己在家庭、事业上的“三级跳”，完成了自己在科研领域的一次次创新突破，他相继与清华企业家协会美东分会领航计划活动留影，马恺（右二）任纽约创业组组长创新之路62 科学中国人 2023年10月妻子在美国结婚生子，购房置业。随着易达生物技术公司不断取得新的技术突破，融资已过亿美元。就在马恺生活稳定美满、事业高歌猛进之际，他却做出了一个令美国的导师、同学、朋友纷纷感到不可思议的决定回国。他们认为这是一个完全不合理的选择，但对于马恺和妻子来说，这或许就是中科大“红专并进，理实交融”的校训在无形中影响着他们。尽管出国多年，但他们仍有一颗“赤子之心”，身在异国却从未忘记自己是一个中国人的身份，希望自己的技术在中国发光发热。在朋友的推荐下，马恺与清华大学取得了联系，并展开了回国任教发展的沟通。事实上，早在2018年，他就参加了清华企业家协会美国分会的领航计划，并成为美东分会纽约创业组的组长。这是一个清华校友企业家帮助年轻企业家的交流培养项目，在一年的活动中，他结识了很多杰出的清华校友，感受到了清华人“自强不息，厚德载物”的品质。“那段时间我正在考虑回国的选项，清华企业家协会也给了我很多到清华大学任教和做研究的动力。”马恺说。2022年，在易达生物技术公司度过早期创业最艰难的几年，步入稳定发展期后，马恺践行初心，实现了自己回国的愿望前往清华大学（以下简称“清华”）任教。清华打动马恺的一点是，沟通过程中他了解到，清华不仅看论文的质量，更看重成果的落地，以真正解决临床难题为目标，为社会造福，而这与他在美国想做和在做的事情完全契合。一直以来，与西方发达国家相比，我国在生物医学领域具有原创性、差异化的研究还相对较少，马恺希望，通过自己在生物材料领域的研究和临床转化经验，研发属于中国的具有国际竞争力的差异化新型药物递送系统。硅氧体具有优良的生物相容性，普遍存在于生命体中（如硅藻等海洋生物），并被广泛应用于食品添加剂和化妆品。同时，硅氧体具有丰富的化学多样性，单位表面积可以供价偶联多个功能基团，是极佳的药物递送系统载体材料。马恺计划在此前工作的基础上，研发新一代硅基药物递送系统，利用其独特的物化性质，突破传统药物递送系统在药物装载量、组织渗透率、递送效率、生物屏障穿越、制剂稳定性、生物分布、递送精准度等方面的不足，并针对重大临床未满足需求的现状，致力于实现临床转化。朝着目标细心布局，马恺首先瞄准的是抗体偶联药物。这类药物将抗体与化学药物分子进行连接，利用抗体独特的靶向性质将化学药物分子精准地递送到病灶，从而实现对肿瘤细胞的特异性杀伤。近年来研究在临床中取得了巨大成功。然而，目前被广泛应用的抗体偶联药物普遍存在组织渗透性不佳、易产生耐药性、毒副作用较大、载药量有限、难以突破血脑屏障等生物屏障的缺陷，很大程度上限制了其临床有效性和适应症的进一步拓宽。针对这些难题，马恺计划在前期工作的基础上，利用硅氧体生物材料独特的物理化学性质对传统抗体偶联药物的结构和功能进行改造，从而实现传统技术难以企及的药物递送效率，进而研发新一代可临床转化的基于硅氧体生物材料的药物递送系统，为药物的精准递送和癌症的个性化治疗提供差异化解决方案。与此同时，马恺希望能将此递送系统与医学影像相结合，利用此平台的化学多样性对造影剂分子进行精准靶向递送，从而开发其在疾病早期诊断、伴随诊断、术中成像等方面的应用；同时利用技术的平台化优势，在同一生物材料平台框架下，将医学影像探针和药物递送系统相结合，实现诊疗一体化精准医疗。在此之前，马恺已将多个硅基纳米生物材料实现临床转化，应用于癌症的诊断和治疗，其安全性和有效性已在人体临床试验中得到初步验证。基于自己在美国长年的工作基础，他希望能在未来的几年时间中，将所研成果推进临床阶段，实现临床转化和技术落地，助力中国在新一代生物医药研发竞赛中弯道超车。未来 培养有家国情怀的年轻科学家在美国生物医药领域多年的科研和转化经验让马恺认识到，技术创新的核心是优秀人才。过去的20年中，中国在生物医药领域经历了非常快速的发展，但若想在国际上超车，必须在创新方向有所作为，博士毕业，马恺夫妇与女儿的合影2023年10月 科学中国人 63产出扎根中国的、具有国际竞争力的创新技术。这就需要一批兼具科研实力、转化经验和全球视野的杰出人才。在生物医药领域，一个全新药物的研发往往要10年以上的时间、数十亿美元的投入，周期长、投资大、风险高。而一个生物医药新技术的沉淀，从实验室到临床转化应用，更是极其困难。“这其中有两个异常困难的鸿沟，一个是新技术和传统医药技术之间的鸿沟；另一个是学术科研思路和临床转化思路的鸿沟。这就要求我们不光要有过硬的科研实力，了解并懂得如何克服这些鸿沟，对临床转化也非常重要。”马恺在美国的博士生导师乌尔里希维斯纳教授曾对他讲过一个形象的比喻：做科研有起点，也有终点，但在做的过程中，如果有新的发现，你觉得有意思你就可以转换一条赛道去做；然而临床转化却不行，如果遇到困难或走偏了，必须马上克服困难拉回来。简而言之，科研成果要实现临床转化，必须以市场需求和成果产出为导向，精细计划好转化的每一个细节，顶住压力、克服困难、严格实施。在马恺看来，想在这个领域有所作为，专业技术能力是基础，必须左手拎着过硬的科研能力，右手拎着对临床需求和药物研发的深刻理解。除此之外，在新技术的研发和临床转化过程中遭遇困难和挫折是家常便饭。马恺认为，持之以恒是应对挫折和困难的“法宝”。“我也曾有过犹豫，有时候也会打退堂鼓。但只要告诉自己，应该再坚持一下，慢慢会发现，乌云渐渐就散去了，曾经的问题都不再是问题。只要和困难死磕到底，总会有解决问题的办法。”多年沉浸其中，马恺早已锻造出坚韧的品格，他说：“作为一名医药研究者，往往要耐得住寂寞，敢啃硬骨头，甘坐冷板凳。”回到国内发展，意味着要重新适应，寻找自己在新位置上的前进方向。马恺给自己定下了原则性的目标：既要踏踏实实把科研做好，又要把产品做出来，做出自己的特色，做出自己的原创。“我们做事情要有自己的梦想，我的梦想就是要把硅氧体或者新型的递送系统研发出来，把它做得非常成熟并推向市场，造福老百姓。”想要实现创新突破，研发团队是关键。清华有着良好的生源，学生的科研素质很高，但马恺还有着更高的要求，他希望自己培养的年轻科研人员，能够真正帮助中国在很多生物医药技术领域实现弯道超车。而这不仅需要超强的研究能力和战斗力，更需要团队有家国情怀，愿为国家科技自强而奋斗。“懂得新技术，同时能实现临床转化的人才在美国其实也极其紧缺。清华是中国的顶尖学府，汇聚了全国最优秀的一批年轻人。我加入清华的重要愿景之一，就是希望能将自己在生物材料临床转化领域的一些一线经验传授给年轻人，在清华培养一批具有家国情怀的优秀年轻科学家，助力中国在创新药和新型生物医学技术的突破和弯道超车。”作为一名博士生导师，马恺也努力将自己的这套理念贯穿到清华的人才培养中。清华的校训是“自强不息，厚德载物”。他认为，德是基础，招学生品德最重要，其次要有家国情怀，再就是要有求知的热情和创新的思维，而马恺也将尽力培养具备这些品质的学生，帮助他们成为全方位发展的科研人员。马恺希望培养一批既懂得科研，又懂临床需求，还了解医药研发模式的中国科学家，最终撬动更多创新成果实现临床转化，让更多生物医学创新技术走进千家万户。科专家简介马恺，清华大学医学院生物医学工程系助理教授和博士生导师。2009年本科毕业于中国科学技术大学物理系，2015年博士毕业于美国康奈尔大学材料科学与工程系。20162017年在美国康奈尔大学和纪念斯隆凯特琳-康奈尔癌症纳米医学临床转化中心从事博士后研究。20172022年作为联合创始人在美国创立易达生物技术公司，担任公司首席技术官，同时兼任美国纪念斯隆凯特琳癌症中心访问科学家。2020年年底入选国家高层次人才引进计划青年项目，并于2022年12月全职回国任教于清华大学。多年来聚焦生物材料的研发和临床转化，针对临床未被满足的需求，开发了一系列用于疾病诊断和治疗的医学影像探针和药物递送系统，在自然等期刊发表论文38篇，获得国内外已授权发明专利30余项，正在审核中的发明专利申请70余项。领导和参与了多项美国新药临床研究审批（IND）申报和人体临床试验，主持开展了多项新型医学影像探针和药物递送系统的临床转化和技术落地。