mRNA疫苗的移动式“按需生产”
本文节选自《Mobile on-Demand (MOD) mRNA Vaccine Production: A Design and Optimal Location Study》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
疫苗通常在大型工厂中生产，以实现规模化经济。然而，疾病暴发往往是地方性的，需要灵活的小规模生产，特别是在基础设施薄弱的地区。在本项工作中，研究探索了移动式按需疫苗生产的方式，以作为应对未来疾病暴发的解决方案。mRNA疫苗的生产过程被缩小到两个20英尺的集装箱中，这样一来，在不到16小时的时间里，一个批次就可以生产1万剂。集装箱自给自足，除定期补给水电外，可生产100批，无需补给原材料和耗材。
关于mRNA疫苗的一般生产工艺，请点击：mRNA疫苗的一般生产工艺
前文所述的基于序列的工艺可以设计在一个占地20英尺的ISO集装箱式空间进行，同时，另配一个集装箱进行辅助任务。在整个工艺设计中，需要特别注意一些严格的空间限制和无菌要求，特别是关于RNAse的污染。该工艺设计为每批生产100μg mRNA 10,000剂。这相当于Moderna疫苗中使用的mRNA含量，而BioNTech/Pfizer和CureVac使用的剂量分别含有30μg和12μg RNA。工厂产能的选择是一个综合决策，考虑到了存储和物流的因素，这将在后面的章节中讨论。
工艺设备的设计和尺寸
出于无菌性原因，工艺步骤尽可能使用一次性使用设备进行。使用现场生产的无RNAse水，在容器内预先混合制备所有的缓冲液，最大限度地利用可用的存储容量，并提高容器的自主性。一个集装箱内每次工作的员工不超过一个。为了调整尺寸、质量和能量平衡、以及调度，在SuperProDesigner中建立了一个过程模型。
IVT和加帽在0.3L水溶液中进行，使用一次性使用搅拌罐式生物反应器，如默克Mobius®。反应体积和相应的输入材料如TriLink Biotechnologies介绍进行。缓冲液组成、核苷酸比例、DNA模板和CleanCap®按10,000剂疫苗剂量的比例进行调整。
作为一次性使用反应器的替代方案，CureVac已经申请了一项专利，具体涉及在小规模条件下，进行基于IVT的mRNA的生产。该设备被称为RNA打印机®，是一种IVT反应器，DNA模板固定在磁珠上，以便重复使用。当然，如果DNA模板的供应不存在短缺，从可行性角度来说，DNA回收并不是必需的，从成本节省角度来看，也不是最优先需要考虑的事项。
转录和加帽反应完成后，将反应器内容物装入一次性使用袋中，以进行后续工艺处理。我们设想在集装箱中需要进行3个TFF和AC步骤，同时需要1或2台固定安装的蠕动泵，并需要安装不同的一次性使用部件）（过滤器、料液袋等。）。此外，需要一个不锈钢罐，作为TFF的容器，每次使用时，与一个新的一次性使用内衬料液袋连接。为了简化操作，以更多地支持操作人员工作，集装箱后墙可能可以制作指示管路径的图纸，以及指示操作人员在每个工艺步骤中安装和连接设备的LED灯。注意，在使用过程中，一次只进行一个单元操作。在工艺设备支架的上方和下方，含有缓冲液和产物溶液的一次性使用袋子可以安装在带有重量传感器的挂钩上。袋子和管路安装后，工艺可以自动操作，流量通过蠕动泵控制，进样料液通过电子阀门进行选择。流体处理示意图下图所示。
在模块化空间墙上安装的流体处理系统示意图。一次只安装一种颜色指示的操作。
对于尺寸，使用SuperPro Designer建模的结果与文献值进行比较。对于TFF工艺，TFF1、2和3的进样体积分别为0.3、2.7和2.2L/批。过滤器面积由SuperPro Designer根据选择的60 ~ 100 min的工艺时间计算为590 ~ 2,090 cm2。之前有文献介绍了一个参考实验，790cm2的面积可以在58 min内处理400mL的料液。对于进入系统的新鲜缓冲液与浓缩液原始缓冲液的比例，在该文献中建议为8。此外，建议的剪切率为800 s−1，这可以用来估计蠕动泵针对假定的过滤器而所需提供的单位体积流速。文献中进行的实验采用了200mL/min的流速。对于TFF1的产物回收率，假设为93.4%，在文献中给出的范围 (90-95%) 内。另外两个TFF的设备参数与TFF1相同。与TFF1相比，这肯定会获得更高的总收率，因为TFF2和3用于缓冲液置换，这是相比纯化要求更低的任务，料液通过过滤器的次数要求更低。
根据POROS™ Oligo(dT) 填料制造商提供的说明，填料的特异性结合载量为2mg/mL，据此确定亲和层析（AC）的规模。作为比较，Moderna报告其Oligo (dT) 填料的结合载量为1.4mg/mL。在专利[WO2014152031A1]介绍的实验中，层析柱的体积为100 mL，长度为5cm。虽然在实际操作中，最终的长-宽比还需进一步调整，但长度已适应目前的工艺。专利中的液体流速和缓冲组成与POROS™填料制造商的建议非常一致，适合于这项工作。这些参数的选择决定了层析柱的操作时间。根据专利[WO2014152031A1]中报告的实验值，假设亲和层析的收率为92%。
根据制造商的说明，填料可以重复使用，并给出了存储和清洗步骤建议。然而，对于本工艺案例，也可以考虑采用预装层析柱，并作为一次性使用。如果填料重复使用，则需要另外两种缓冲溶液进行消毒和存储，如上图中淡蓝色部分所示。
举例来说，Repligen公司销售的KrosFlo® KR2i台式TFF系统可以为我们生产过程中使用的亲和层析和所有TFF步骤提供足够的压力和流速。对于除菌过滤，将需要一台更大的蠕动泵，尽管从原则上看，所有操作都可以使用一台蠕动泵进行，只需要针对每个步骤更换一段新的管子。
KrosFlo® KR2i台式TFF系统（图片来源：www.repligen.com）
LNP的制剂发生在过滤步骤TFF 2和TFF 3之间。像NanoAssemblr® GMP系统（Precision Nanosystems）这样的设备是一种可选择的商业化交钥匙系统。操作这种设备包括安装新的微流组件和管路，并将含有RNA和脂质的溶液安装就位。
NanoAssemblr® GMP系统（图片来源：https://www.precisionnanosystems.com/）
日程调度
生产过程由作为批次操作顺序执行的各个单元操作组成。下图给出了基于SuperPro Desinger Simulation的整个过程的实际时间表。此外，还给出了在生产空间中工作的操作人员需要执行操作或建立一个单元操作的持续时间。这段时间包括SuperPro Designer中每10min的“转移”操作，即主工艺液流从一个单元操作转移到下一个单元操作。为流体处理建立一个新的单元操作估计需要30min，只要前一步的单元操作没有使用任何流体处理设备，就可以并行进行。缓冲液的预混不包括在这个时间表内。由于提供了中间体缓冲液存储空间，所以在设施空间中工作的操作人员可以在任何时候执行操作。除了缓冲液混合外，第二名操作员还负责疫苗的包装、储存和分发。
生产集装箱中的单元操作日程安排和人工要求
如上图所示，不包括灌装的生产过程大约需要14小时。加上灌装和包装的时间要求，在16小时内完成一个批次或两个8小时轮班是可以实现的。在任何时候，每个生产空间中都有一名操作员工作，每批总共32个工作小时。如上图所示，生产空间的操作人员可以在大约一半的时间内自由地执行废物管理和质量控制等辅助任务，而单元操作则远程执行。主动的工作主要围绕着从一个单元到下一个单元的变化。由于流体处理系统由所有过滤和亲和层析柱共享，导致操作人员在更换设备时存在时间间隙，无法进行任何单元操作 (见上图5.1、6.4和11.7小时处)。消除这三个30min间隔将以额外的空间需求为代价，以进行下游工艺，并且由于该工艺很好地适应了两班制的时间跨度，没有明显的原因去这样做。
“集装箱”空间布局
目前的概念是为实现机动性和自主性的目的而设计的，但这仍然表明，在前面的章节中描述的设备可适配至两个集装箱空间，包括足够的原材料和耗材，以维持生产，而在较长的一段时间内，不需要任何再补给。
两个集装箱的示例布局如下图所示。图中上部的集装箱在下文中称为“生产集装箱”，包含反应器、下游工艺和制剂单元，按使用顺序排列。此外，在此工艺中所需的原材料和一次性使用设备都存储在集装箱中，另外，还有一个用于缓冲液中间体存储的冷藏单元。最后，集装箱内包含质量控制设备。
生产（上）和公用设施（下）集装箱布局示意图。所示集装箱内部尺寸为235cm x 590cm
第二个集装箱，在下文中称为“公用设施集装箱”，包括用于缓冲液预混合的空间，其使用无RNAse水，这是由包含在同一个集装箱中的过滤单元生产的。此外，空瓶的存储、小瓶的灌装以及终产品的临时存储都在这个集装箱中进行。两个集装箱通过直通道连接，直通道是集装箱在生产现场搭建时安装的。含有缓冲液的一次性使用袋子从公用设施集装箱传输到生产集装箱，之后，含有用于灌装和包装的终产品的袋子被传输回到公用设施集装箱。小瓶灌装可在一个完全自动化的GMP认证设备中进行，这已有商业化的产品。一次性使用设备和小瓶所需的存储空间是根据包装效率的简单假设估计的。请注意，小瓶占用了特别大的空间。随着小瓶的使用，集装箱中的可用空间将增加。释放出来的空间可以用来存放容器中的废物。同样，如果需要用于其它目的，补充空的无菌小瓶将是释放更多空间的有效方法。
虽然如图所示的布局只是几种可能的配置之一，但它显示了两个重要的考量点：首先，两个集装箱提供的空间足够大，足以用于基于IVT的mRNA疫苗生产。其次，就所提出的完全自主概念而言，在不进行补给的情况下，储存空间将所能生产的疫苗数量限制为100万剂，相当于10万瓶或100克mRNA。
原文：S.Fahr,L.Thiel, C.Sangoba, Mobile on-Demand (MOD) mRNA Vaccine Production: A Design and Optimal Location Study. Aachener Verfahrenstechnik, 2021.
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