持续火热的mRNA药物背后的工艺开发
2020 年，在新冠疫情爆发的背景下，mRNA 技术在历经多年发展后得到快速突破，mRNA 疫苗 95% 左右的保护率远远高于其它传统疫苗，让这项技术从实验室全面走向临床。同时基于 mRNA 技术的灵活性，其可以广泛应用于疾病预防和癌症治疗等多个领域，因此在国内外的研发得到了广泛关注。
图 1. 疫苗研发发展简史
国外方面，Moderna、BioNTech 和 CureVac 作为先行者，多个产品已经进入临床。国内方面，也掀起了一股 mRNA 研发热潮，艾博、斯微和丽凡达在新冠疫苗研发上已经先行，嘉晨西海、蓝鹊生物、美诺恒康、深信生物、深圳瑞吉、厚存纳米、吉玛基因和本导基因等企业加速进入研发行列，技术的应用场景包括肿瘤疫苗、CART 疗法、传染性疾病疫苗、罕见病治疗、基因编辑等多个方面。
此外复星医药、君实生物、康泰生物、沃森生物和天境生物等其他传统药物研发企业，也纷纷参与 mRNA 的产品和技术合作，药明生物在杭州也已经建好上亿剂 mRNA 疫苗产能。可见 mRNA 相关药物研发生态圈在国内已经基本成型，有资本有产能，然而作为一项较新的技术，研发、工艺及生产方面能力还有待进一步提升，助力产品的成功转化。
图 2. 各类型疫苗结构特点
抗原设计对于不同治疗领域各有区别，对于细菌类的以糖蛋白为主，对于病毒类的以刺突蛋白为主，对于抗体相关的被动免疫疗法，则有必要使用分开的抗原设计以解决分子量的限制问题。序列设计方面，mRNA疫苗需要选择最接近人源性的同义密码子，规避可能引起过敏反应的组合以保证安全性和转译质量，非转译区也会调控mRNA和蛋白质的稳定性以及表达效率。
载体的构建
载体的构建方面，5’ 的 Cap、抗原编码区及 3’ 的 Poly A 尾巴为骨架元件，此外修饰的尿苷有助于抑制合成 mRNA 的免疫应答，从而降低毒性并改善基因的翻译，此前 CureVac 的临床失败可能和使用未修饰的尿苷。此外目前第一代 mRNA 药物均是非复制性 mRNA，在剂量方面受到较大限制，复制型 mRNA 随着复制子元件的加入，将显著提高基因的翻译效率，在肿瘤治疗方面发挥重要作用，是未来 mRNA 药物重要的发展方向。此外编码前后的非转译区（UTR）负责调控转译及蛋白表达，对mRNA的转译效率、半衰期和最高表达水平等有显著影响。同时，UTR中的GC水平、U水平均会影响mRNA的免疫原性，对疫苗的安全性和能否正常产生抗原造成影响。
图 3. mRNA 技术的四大核心元素
mRNA 分子量大、亲水性强，但自身的单链结构致使其极为不稳定，易被降解，自身携带负电荷，穿过表面同为负电荷的细胞膜递送亦是难题，所以需要特殊的修饰或包裹递送系统才能实现 mRNA 的胞内表达，改变 mRNA 胞内的生物分布、细胞靶向和摄取机制，促进 mRNA 的递送，发挥疫苗的效果，因此递送技术也成为各家 mRNA 公司的核心专利技术。
目前最常用的 mRNA 疫苗递送手段是脂质纳米粒（Lipidnanoparticle，LNP），Moderna 和 BioNTech 均采用此项技术，此外还有阳离子脂质复合物 (lipoplex，LPX)、脂质多聚复合物 (lipopolyplex，LPP)、聚合物纳米颗粒（Polymer nanoparticles，PNP）、无机纳米颗粒（Inorganic nanoparticles，INP）阳离子纳米乳 (Cationic nanoemulsion，CNE)，瑞博生物还自主开发了 GalNac N-乙酰半乳糖胺技术，能够进行肝脏的定点传递。
图 4. 目前主要LNP技术的专利格局
生产是整个 mRNA 药物研发最后的关键环节，除了无核苷酸酶的生产环境投入巨大以外，工艺的开发同样具有挑战。第一步是编码抗原的 DNA 模板生产，除了常用的大肠杆菌大规模体内表达；第二步则是在无细胞的反应器内进行转录，通过 T7、SP6 或 T3 等 RNA 多聚酶作用，通过一步或者两步法转录成为 mRNA，同时加上 5’ 的 Cap 及 3’ 的 Poly A 尾巴，在进一步使用 DNA 酶将残留的 DNA 模板进行消除；随后使用离子交换等层析步骤进一步将转录形成的 mRNA 进行纯化，进行超滤浓缩形成原液；制剂阶段，通过微流体泵精确地控制着 mRNA 原液和脂质流速，将他们混合成脂质纳米粒 LNP。最后则是成品的灌装及质量控制，贴签形成终产品。
图 5. mRNA 药物的生产流程
参考文献
1. mRNA vaccines manufacturing: Challenges and bottlenecks
2. An Update on Self-Amplifying mRNA Vaccine Development
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