在不同的求學和科研階段，陶偉的研究專案始終聚焦在基於新型生物材料的 “藥物遞送和奈米載體” 的設計和開發上。陶偉及其團隊透過設計各類更為智慧、精準和具備產業化前景的多功能藥物載體，實現了在病灶部位 “按需” 釋放藥物分子，可控地上調或者下調目標蛋白的表達，旨在今後能夠改善腫瘤、心血管疾病、糖尿病、病毒、細菌感染等重大疾病患者的健康狀況。
作為一名具有材料科學、奈米技術和生物學等多學科背景的生物醫學工程研究人員，陶偉帶領研究團隊主導開發了多種具有獨特藥物遞送功能的智慧載體系統。
其中，陶偉和他的團隊成員們創造性地開發了包括二維奈米材料和高分子生物材料在內的新型材料庫，探索了它們的奈米生物互動作用機制，並將這些材料和設計原理進行了廣泛的生物醫學應用，包括 RNA 治療、腫瘤診斷和治療、傷口癒合、心血管疾病、糖尿病治療和病毒、細菌感染等。同時研發了一系列程式化的刺激 - 響應奈米材料平臺，能夠主動靶向病灶部位、並且透過內在刺激或者外部刺激精準地 “按需” 可控給藥，在減少毒副作用的同時實現精準醫療和高效治療。
圖｜《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單入選者陶偉
“生物醫學工程專業很酷”陶偉在本科學習期間的專業是生物醫學工程，在維基百科上的定義是：一門年輕的交叉學科，主要運用工程學和應用科學的知識和技術解決生物學和醫學領域的科學問題，充分研究生命系統及其行為，以及開發相關的生物醫學系統和裝置，最終幫助患者得到更好的治療以及提高健康個體的生活質量。該專業對疾病治療、社會經濟發展都有著深遠意義，因而成為各國科學家的研究熱點，是一門具有著巨大發展潛力的朝陽學科。
當陶偉第一次瞭解到生物醫學工程這個概念後，他覺得很酷：“既能夠以生物學科為出發點學到不同交叉學科的知識，又能造福人類健康，改善病人們生活質量、推動社會經濟的進步。我覺得這個專業很偉大，也很有潛力。” 於是，陶偉順理成章地選擇了生物醫學工程專業。在完成本科階段的學業後，陶偉認為自己如果還想在這個領域內有更進一步成果，就還必須迴歸到生物體本身上進行研究。因此，本科畢業後，陶偉選擇以保送直博生的身份進入清華大學的生物學專業。
陶偉在博士生階段期間受到了清華大學博士生短期訪學基金的資助，赴哈佛大學進行了為期 6 個月的博士生訪學。在這段經歷中，陶偉接觸到了哈佛大學醫學院的 Omid C. Farokhzad 教授和麻省理工學院的 Robert Langer 教授，瞭解到了他們在藥物傳遞系統、生物材料、奈米技術、組織工程和再生醫學等領域進行的各類前沿研究工作。
“令我最印象深刻的是，他們所研發的各類藥物遞送技術能夠真正地進入臨床並且商業化，解決我們這個時代所面臨的各類重大全球健康挑戰問題。” 結合自身成長學習經歷，陶偉確定了自己研究領域：設計合成奈米尺度的生物相容性材料，用於高效遞送各類不同的藥物來實現疾病的治療。這些奈米尺度藥物載體能夠像預先設定好程式的 “機器人” 一樣，保護治療性藥物不被降解失效、並將它們安全地遞送到疾病部位，並特異性地在特定條件、特定位置下大量釋放，以實現重大疾病的高精準度和 “按需” 可控治療。
藥物遞送載體進行精準、“按需” 可控地治療疾病陶偉介紹到，透過藥物進行疾病治療的最本質目標是既要把病最有效地治好，同時不對人體產生毒副作用。因此，陶偉的研究成果的核心可以透過一句話概括：“把不同型別的治療型藥物（例如，核酸、小分子藥物、多肽、蛋白質等）高效輸送至它們該發生作用的位置，並在合適的時間、地點進行預期的釋放，最高效地治療疾病的同時最大程度地減少或者消除藥物自身的毒副作用，提高病人的生活質量”。
具體來看，陶偉目前其中一部分的核心工作聚焦在 siRNA 和 mRNA 的藥物設計及其遞送技術的研發突破上。
RNA 干擾（RNAi）是一種天然的、沉默基因表達的細胞過程，siRNA 是介導 RNAi 過程的分子，於 1998 年被首次描述，其發現者安德魯・菲爾和克雷格・梅洛教授於 2006 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，他們的發現被譽為 “十年一見的重大科學突破”。
2018 年，美國 FDA 批准了由 Alnylam 公司研發的首個 RNAi 新藥 Onpattro（通用名 Patisiran），用於治療由罕見的遺傳性甲狀腺素轉運蛋白介導的澱粉樣變性病（hATTR）引起的神經損傷。
針對 hATTR 等由澱粉樣蛋白過多所引起的疾病，其治療方案之一是限制致病蛋白質在體內的合成。Onpattro 透過一小段 siRNA，能夠特異性地 “干擾”（沉默）其對應的 mRNA。Onpattro 結合其靶標後，細胞內的 “分子剪刀” 會精確切割對應的 mRNA，從而阻止對應蛋白質的產生。
陶偉說：“儘管這種 siRNA 策略看起來優雅而精確，但必須解決如何將藥物精準地遞送到體內適當位置的問題以及降低生產成本”。為了將藥物輸送到患者的病灶處，必須保護藥物免受血液中酶的破壞。為此，這項被 FDA 批准的 siRNA 遞送技術透過使用脂質奈米粒子來封裝保護 siRNA。
在此基礎上，對比脂質奈米顆粒技術，陶偉及其合作者研發的脂質 - 聚合物混合奈米粒 siRNA 遞送技術，在原理上所設計的載體平臺可能更為穩定，能夠有效地保護所負載的 siRNA，延長其在血液迴圈中的時間以及增加藥物作用的持續時間（減少治療次數）。同時，脂質 - 聚合物混合奈米粒技術能夠更加靈活地進行表面修飾，選擇性地實現更多功能的高效整合（例如，一體化診療設計、主動靶向遞送等）。該項研究結果被刊登在 Science Translational Medicine 封面上。
今年新冠疫情的全球性爆發，使得 mRNA 疫苗更快地走進了人們的視線。mRNA 疫苗是將 mRNA 在體外進行修飾後，傳遞至機體細胞內表達併產生相關的蛋白抗原，從而導機體產生針對該抗原的免疫應答，進而擴大機體的免疫能力。
mRNA 技術始於 90 年代，當時證明在小鼠中注入 mRNA 後可以產生該基因編碼的蛋白質，但之後受 mRNA 在體內快速降解等關鍵問題的桎梏，導致其進展緩慢。直到進入 21 世利用脂質奈米粒子載體遞送技術解決了 mRNA 成藥的穩定性和人體免疫系統對 mRNA 藥物排斥等問題後，基於 mRNA 的應用技術才得以快速發展。
在針對 mRNA 的研究中，陶偉及其合作者所研發的 mRNA 遞送技術採用改進的脂質 - 聚合物混合奈米粒技術，已經在臨床前模型首次實現了透過 mRNA 的方式進行腫瘤抑癌因子的修復，實現了腫瘤治療的新策略（Nature Biomedical Engineering 2018, 2 (11): 850-864）。此外，透過替換負載 mRNA 的載體組分及方式，便可調整治療目的並 “按需” 在病灶表達理想蛋白。例如，設計生物相容性好的 “刺激 - 響應” 聚合物可來實現病灶部位特異性 “精準” 突釋 mRNA 的功能（Science Translational Medicine 2019, 11 (523): eaaw1565），其在未來可能對治療惡性腫瘤和其他重大疾病發揮巨大作用。
“為改變世界的工作而奮鬥”在陶偉的博士後研究階段，Omid C. Farokhzad 教授成為了他的主要導師，Robert Langer 教授也曾作為 Prostate Cancer Foundation 資助專案的合作導師指導了他的研究工作，這對陶偉來說意義匪淺。值得一提的是，陶偉和 Omid C. Farokhzad 教授、Robert Langer 教授等近期也共同撰寫了應對新冠疫情的材料學和奈米技術方向的綜述和展望、其中重點討論了基於奈米粒子技術的 mRNA 疫苗等，被刊登在 Nature Reviews Materials 封面上。
圖｜左，Omid C. Farokhzad 教授；右，Robert Langer 教授（來源：維基百科）
陶偉表示 “兩位教授其實是很多人的人生導師，也經常鼓勵年輕的研究人員‘為改變世界的工作而奮鬥’，去做有價值、能夠實際應用的工作，解決我們這個時代所面臨的各類重大全球健康挑戰”。
研發具有商業化和產業化前景的藥物遞送技術，使其能夠真正地應用於臨床治療、改善病人的健康狀況，是陶偉做研究的出發點和目標。但何時實現仍需要時代背景和機遇雙重加成，“不過我相信不久之後遞送 mRNA 的脂質奈米粒子就會被 FDA 透過、應用於臨床”。（備註：在完成本次採訪後不久，FDA 就通過了 Pfizer–BioNTech 和 Moderna 生產的兩種應對新冠疫情的 mRNA 疫苗的緊急使用，而這兩種疫苗的都是基於脂質奈米粒子技術的遞送才得以實現。“從一定程度上來說，奈米粒子 / 藥物遞送技術正在悄悄地改變著世界、給與了人類加速應對新冠疫情的新希望。我自己也已經接種了 mRNA 疫苗，作為一個有十年以上奈米粒子研究開發經驗的科研工作者，當奈米粒子真正在自己體內產生作用時，這種感覺是非常棒的。我也更深刻地理解了自己領域所做的研究工作對世界的重要意義和對人類健康的深遠影響！” 陶偉補充說道。）
陶偉認為，好的研究必須要一心一意，坐得住冷板凳、靜得下心來，透過不斷的積累和持續深入鑽研才能有所收穫。因此，陶偉表示，基於新型生物材料的藥物遞送和奈米載體領域是他和他的團隊至少在未來十年內始終不會動搖的方向。
陶偉表示：“我的目標始終是商業化、產業化自己所研發的藥物遞送技術，使其能夠真正地應用於臨床治療，改善腫瘤、心血管疾病、糖尿病等病人的健康狀況。我的老師們已經開創了很多很棒的高科技公司，深受他們影響，我目前也正在為自己的創業計劃做準備。”