克服工程挑战，实现商业化规模的 mRNA 疫苗生产
本文将为希望建立自己的商业化规模mRNA 生产工厂的疫苗开发商或 CDMO提供其所面临的主要挑战的解决方案。
信使 RNA (mRNA) 是一种巧妙的天然分子，参与蛋白质的产生，而蛋白质对生物过程至关重要。该类分子是一种新型mRNA 疫苗的基础，这些疫苗在几个月内就被成功开发用于对抗SARS-CoV-2 大流行。
快速发展的 mRNA 技术将是解决疫苗和肿瘤治疗中许多未满足需求以及支持更快速的应对未来大流行威胁的关键。与使用基于细胞培养的生产途径的常规疫苗相比，mRNA工艺提供了快速生产更多疫苗剂量的潜力，而前者通常更容易失败。
mRNA 的进步，加上需要提高产能以满足全球需求，为建立灵活的产能提供了机会。然而，更大规模的mRNA 疫苗生产对工厂设计提出了挑战。由于每个项目都有一组独特的要求，因此方案提供商解决每个考虑因素非常重要。
新的 mRNA 良好生产规范 (GMP) 工厂设计必须符合严格的监管和可持续性实践准则，这些准则在全球范围内有所不同。在交付此类项目时，需要具有广泛专业知识的团队来设计、建造和运营这种新型治疗药物工厂。
生产工艺
基于 mRNA 的疫苗的生产不同于传统蛋白质或病毒载体疫苗中使用的方法，因为它们是在无细胞系统中生产的。mRNA 生产涉及 DNA 模板的制备，通常使用线性化质粒，然后进行体外转录 (IVT) 酶加帽反应，从而产生 mRNA（参见图 1）。
使用层析技术纯化后，mRNA 药物底物被选择的纳米脂质包封以形成脂质纳米颗粒 (LNP)，然后使用层析结合切向流过滤 (TFF) 进行进一步纯化和缓冲液置换，以制备药物产品原液 (BDP) (见图 2)。
需要低温储存，直到可以将 BDP 制剂、除菌过滤、灌装或冻干在小瓶中、贴标签和包装，以制造疫苗。目前，多剂量小瓶加稀释剂构成大流行疫苗产品，但未来可能会改变。
不同的工艺需求需要不同的工厂设计要求。在表 I中给出了示例。
从生产的角度来看，mRNA 的潜力在于小规模工厂生产临床试验物料的能力，以及使用相同设备生产大量剂量的能力。后者可以通过更密集的生产计划或半连续工艺技术来实现。
挑战与解决方案
作为一个使用颠覆性方法和技术的快速发展的领域，mRNA需要在围绕工厂设计的思考方面进行重新设置。与传统方法相比，每个mRNA 项目都需要解决方案供应商提供“自下而上”的策略，该策略应来自对特定设计、设备和材料处理考虑因素有必要洞察的实地团队。
生物制药公司应提供对未来产能、产品数量和mRNA 疫苗可制剂的各种形式（例如，液体与冻干、多剂量与单剂量小瓶、透皮贴剂或吸入剂）的最佳预测估计。
与基于细胞培养的产品相比，mRNA 疫苗目前的不足之处在于它们依赖昂贵且稀缺的起始材料（质粒 DNA、酶、纳米脂质）的稳定供应，以及对中间体和产品低温储存的需求。
后一点为生产和分发地点提出了地理限制。两者都导致商品成本上升，这可能会限制非大流行期间的市场渗透，并影响工厂的运营和环境可持续性。
如果没有这样的产能估计，mRNA 项目的规模可能会受到限制，制造商也可能面临与用于生产 mRNA 的原材料的处理和控制措施有关的限制。
虽然每个项目都有一系列独特的生产和工厂设计挑战，但mRNA 工厂项目面临的主要挑战是可放大性、易燃材料的使用以及设备和生产支持。
工艺规模
工艺可放大性提供了更大批量生产产品的潜力。然而，放大mRNA 工艺需要仔细考虑，并且可能会引入特定的设计要求，这意味着可能无法翻新旧的或现有工厂。
mRNA 工艺可以产生比传统生物制药项目更多的剂量，因此最佳实践包括提前估计项目或工厂将生产的每批次的剂量数量，确定在什么时间范围内需要多少剂量，并评估连续工艺策略的使用。这个过程将作为指导每个mRNA 项目的起点，并将确定商业化工厂设计的参数。
为了应对这一挑战，预制模块化工厂为分阶段的产能放大/扩展提供了解决方案，同时减少了对现有运营的干扰。
使用易燃材料
大量使用对 mRNA 生产过程至关重要的易燃材料需要量身定制的控制、处理和处置措施。这些措施因项目而异，有效地要求解决方案供应商提供一次性的定制解决方案。还需要考虑更广泛的监管和可持续性问题。
提高生产能力可能需要工厂满足更高的危险区域类别设计特征，例如专门的建筑结构和潜在的防爆区域。这些通常是不可取的，因为它们增加了项目的成本和复杂性，尤其是在项目是改造的情况下。
一旦确定了运营规模，就有必要确定可燃量并评估是否需要符合危险区域要求的建筑。建议评估该过程是否可以缩减或以不同方式运行（每年更多批次），以通过低于相关最大允许量(MAQ) 操作，来避免这一特殊要求。
使用半连续工艺策略可以最大限度地减少溶剂的使用。这种评估应包括：
量化生产步骤中易燃材料的使用，包括缓冲液制备和LNP 储存 有助于工厂易燃材料库存的设备和工厂清洁策略 HVAC 设计对避免危险环境（例如，完全新鲜空气）、使用局部排气通风(LEV) 或通风柜的影响 溶剂分配方法（例如，封闭的溶剂输送和废液清除系统） 溶剂原液储存在工艺区域/工厂外的位置，以及必要的管道以及及时清除用过的溶剂（例如，通过管道转移到废液罐，以供专业承包商清除）。
设备和生产支持
目前，商业化规模的、用于 mRNA 纯化和 LNP 封装的专用、一次性和/或防爆设备的商业供应有限。
需要及时的设备规格确认和采购，来固定工厂设计并确保其交货时间，避免其影响工厂启用。目前，该工艺不能完全采用一次性技术，因此需要考虑清洁和灭菌程序，以及可重复使用的产品接触表面所需的分析支持基础设施。
因此，建议对于每个 mRNA 项目，考虑以下几个方面来确定可用设备与工厂设计之间的联系：
需要定制/专有设备 独立的生产室，通过从物流走廊进入的端口“穿墙”缓冲液传输（缓冲液制备/储存） 房间电气分类需求与工艺步骤 设备选择 vs. 电气和防火规范要求 考虑到工艺将是混合的（使用不锈钢），评估实施一次性技术的好处和局限性。
运营能力将主要取决于 GMP 生产的熟练劳动力的可用性。应该考虑员工福利设施，这是留住技术工人的关键。需要考虑现场食堂、足够的停车空间、储物柜和轮班交接会议以及生产车间。
从操作的角度来看，工艺和工厂设计应考虑连续工艺和过程分析技术(PAT) 的实施，以实现选定工艺步骤 的自动化。应包括低温储存能力，以允许流程中断（例如，中间体的冷冻），以实现白班生产。
最后，在概念设计期间应考虑外包支持功能的能力，例如工厂环境监测或产品无菌测试。该工艺是无细胞的，但所需的过程中检测和放行测试方法可能不是。如果不能选择外包，则应考虑将完全隔离的微生物检测实验室纳入项目范围。基于使用微生物检测最新进展（如酶指示剂和快速无菌检测）的设计可以减少这些实验室的占地面积。图 3显示了 LNP 生产区域的示例。
总结
将工艺工程知识与工厂设计联系起来对于生命科学领域的合规性和有竞争力的生产至关重要。
基于 mRNA 的新型疗法正处于转变产品和项目交付的前沿，并有可能彻底改变现代医学。通过克服与生产和工厂设计相关的挑战，解决方案供应商可以在帮助mRNA 应对未来的流行病方面发挥重要作用，更广泛地说，让更多患者更快地获得这些改变生活的药物。
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原文：J. Vickers, et al., “Overcoming Engineering Challenges to Enable Commercial Scale mRNA Vaccine Manufacturing,” BioPharm International 35 (8) 2022.
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