作者：Akron Biotech CMC 总监 Sebastian Almeida；Precision Nanosystems 临床生产解决方案总监 Lloyd Jeffs；Aseptic Filling 营销总监 John Harmer 和 Cytiva 企业解决方案激活主管 Katarina Stenklo
在遭受 COVID-19 带来的巨大的经济和社会动荡及其对生命造成的毁灭性影响之后，制药行业终于有了第一批抗击疫情的工具。创新疫苗的快速发展是这一里程碑的催化剂，Moderna 和 Pfizer BioNTech 疫苗的紧急使用授权 (Emergency Use Authorization, EUA) 让完全接种疫苗的成年人实现了 94% 的有效性，这是引人瞩目的进步。1两种疫苗都依赖信使 RNA (mRNA)，指导着人类细胞对抗 COVID-19。一些 mRNA 疫苗的临床试验甚至在 COVID2 出现之前就已经开始，几十年来，人们已经具有使用遗传密码“编程”mRNA 以治疗/预防疾病的能力；然而，将 mRNA 转化为药品存在的一系列挑战，一直在过去阻碍了它的发展潜力。
转眼来到 2020 年末，由于迫切需要阻止新冠病毒的传播，Moderna 和 Pfizer BioNTech COVID-19 疫苗的 EUA 取得了突破性进展。现在，mRNA 疫苗市场的成功（最近预计到 2027 年将达到 1273 亿美元3）正在推动市场对 mRNA 的高需求，因此我们迫切需要解决 mRNA 的生产瓶颈。目前行业内多个领域的创新和专业知识都可以用于解决这些问题，为 mRNA 疗法的兴起扫清了道路，也有助于将其用于治疗其他适应症。随着整个行业的制造商对 mRNA 疗法的不断探索，我们必须了解在产业化的进程中可能面临的挑战，以及哪些解决方案可以帮助克服这些挑战。
mRNA 瓶颈：过时的设施无法用于生产先进的产品
随着行业竞相响应 COVID-19 疫苗的需求，至少对于那些不熟悉 mRNA 的人来说，Moderna 和 Pfizer BioNTech 疫苗的临床成功和快速生产似乎是现代医学的奇迹。公众的看法是，疫苗不可能在几个月内开发出来，因为有时需经数年的开发和临床测试之后才能进行安全生产以满足大规模需求。过去医学界应对天花和流感等传染病时耗费了很长时间，4因此在大流行疫情的早期阶段，甚至行业专家也对疫苗制造商能否迅速生产出获得批准的疫苗以改变 COVID-19 爆发进程表示怀疑。在常规情况下，他们的担忧是合理的。
传统的病毒载体生产（即在鸡蛋或发酵罐中培养弱病毒感染的动物细胞）可能需要 4 至 6 周才能获得足够的量来启动生产，而且还需要额外一周的时间来实现生长和生产。5然而，通过 mRNA 技术（依赖于体外无细胞转录反应），这个长达数月的过程可以缩短至几分钟。这项技术消除了开发和生产过程中对减毒活疫苗或病毒载体疫苗的依赖，在安全性、速度、成本和有效性方面具有多种优势。然而，只有获得关键原材料以及配套的专业设备和专业的灵活设施，这些优势才会显现。
Moderna 在其 COVID 疫苗获得 EUA 批准之前从未生产或销售过商业化的药物，这就意味着他们需要依靠多家外包合作伙伴来扩大生产。6这种方法本身就存在风险，如果所有合作伙伴之间没有做到无缝衔接，就会降低上市速度。最后，Moderna 最终要负责确保其疫苗的生产符合监管要求，如果生产不是在其内部进行，这就是一个挑战。甚至 Pfizer 在与 BioNTech 合作生产疫苗时也遇到了麻烦，因为他们面临关键原材料和起始组分的供应短缺。7因此，如果您对 mRNA 疗法和疫苗感兴趣或已经开始了这方面的探索，则不能依赖传统（通常非常严苛）的生产平台和灌装操作来生产 mRNA。相反，您必须借助一些解决方案来支持 mRNA 工作流程的独特性和生产需求。要理解这一点的重要性，我们需要想一想 mRNA 工作流程中最关键的环节是什么，以及为什么灵活性对于成功是必不可少的。
使用灵活性支撑 mRNA 的复杂工作流程
mRNA 的批量大小是关键考虑因素之一，可能因公司的策略、治疗类型和目标患者群体而异。例如，目前的 mRNA 疫苗是大批量生产的，然后以单个单位进行灌装，然而，对于个性化的 mRNA 疗法，则是以大量的较小批量投入生产的。因此，建立一个灵活的平台是必须的，Cytiva FlexFactory™ 一次性平台，能够以最少的停机时间适应规模和产品模式。无论规模大小，mRNA 生产基地的设计是一样的。复杂工作流程的每个阶段都需要单独的套件来生产各种关键起始材料和组分，仔细的完成关键工艺步骤。mRNA 是一种无细胞工艺，因此在使用传统哺乳动物细胞培养系统的设施中进行生产是极具挑战的，而且可能存在污染风险。或者，如果您不具备在内部执行 mRNA 工作流程的能力或产能，您可以与外包合作伙伴合作。然而，鉴于对 mRNA 生产能力的需求不断增长，您可能还需要不断地赶超竞争对手。
例如，在体外转录 (IVT) 的无细胞工艺中为基因表达提供 DNA 模板的 pDNA，是生产细胞疗法和基因疗法所需病毒载体的重要组成部分。随着市场的增长，对生产高质量 pDNA 的需求不断增加，而行业正面临着这一关键成分的有限供应和交付周期长的问题。研究级 pDNA 是一种替代选择，但其生产方法未经验证，导致不同批次的产品质量不同，并且由于研究实验室的清洁要求不太严格，存在交叉污染的潜在风险。
模块化设施- Cytiva KUBio 模块化环境，能够快速部署 GMP 级生产能力，是克服 pDNA 供应短缺并在整个工作流程中满足 mRNA 独特需求的一种解决方案。此类平台经预先设计和构建，可通过一次性技术 (SUT) 实现更快的操作可用性和产品转换，且降低了清洁要求。为 mRNA 工作流程建造一个专用的新建的生产设施可能需要数年时间，相反，一个新的模块化设施可以在大约 12 个月内启动并运行。Akron Biotech 最近宣布使用 Cytiva 的 FlexFactory™ 一次性平台生产 pDNA，他们认为这是一个使用可放大性解决方案支持创新疗法的机会。8利用 FlexFactory™ Figurate™ 自动化平台，Akron Biotech 能够使用经过充分验证的生产平台来保持 GMP 合规性，从而促进监管备案。在这个不断发展的行业中，制造商和监管机构都在不断学习和发展，这一点至关重要。通过消除传统设施带来的负担，同时拥抱数字化、标准化解决方案，Akron Biotech 才能够在不断发展的新疗法领域占据一席之地。
封装 mRNA 以实现有效递送
开发 mRNA 疗法的最大技术挑战之一是使用专门的脂质纳米颗粒进行封装，它既可以保护 mRNA，又可以将其递送到靶细胞的细胞质。传统的封装方法对维持 mRNA 的生产效率提出了相当大的挑战，例如对颗粒大小的控制有限、显著的批次间差异、低封装效率导致大量材料的损失以及难以大规模的劳动密集型生产过程。9除了生产方面的影响，封装对于实现合适的靶向和释放以确定 mRNA 药物的效力也是至关重要的。我们需要一项技术来实现颗粒大小的一致性，以确保稳定且可重复的脂质纳米颗粒生产，该技术须同时控制环境以及有机溶剂和脂质的浓度来获得最终颗粒。微流体是开发环境中的标准工具，通过使用无湍流、非时变的混合条件实现这种控制，以产生高度可重复的 mRNA 脂质纳米颗粒。微流体技术在整个生产过程中提供的封装效率 > 90%，且无需纯化。10使用 Precision Nanosystems 的 NxGen 平台等技术，微流技术在可用于规模化生产。接下来，使用切向流过滤去除乙醇以及任何不需要的溶剂，加入目标缓冲液进行储存。最后，通过无菌过滤去除散装 mRNA 脂质纳米颗粒制剂中的杂质以确保无菌，即可将本身并不稳定的 mRNA 分子进行保存。
在生产的最后阶段对 mRNA 分子的保护也将提高储存稳定性，这是 mRNA 工作流程中的另一挑战。对 mRNA 的超冷链要求使得 Moderna 和 Pfizer BioNTech COVID-19 疫苗的广泛分发变得困难且成本高昂。分别满足 -20 C 和 -70 C 温度要求的超冷储存箱的成本通常需要 1 万至 2 万美元。11最近对 COVID-19 疫苗分发的准备情况评估发现，只有约 50% 的被评估国家具备部署这些疫苗所需的冷链能力。12
保护 mRNA 稳定性的另一种方法是使用先进技术消除人为干预，从而降低灌装完成过程中微生物污染的风险（例如使用 SUT 的机器人无菌灌装系统）。传统的灌装机需要停机进行清洁和灭菌，这对于小批量加工来说是不可行的，因为小批量加工的灵活性和速度是关键。例如，通过 mRNA 的科学设计，公司只需改变脂质纳米颗粒内 RNA 的有效载荷即可处理多种开发候选物，以提供不同的结果或治疗不同的适应症。标准化机器人灌装系统依赖于封闭系统内预灭菌的一次性组件， Cytiva Microcell 小瓶灌装机，可实现更快的产品转换，无论上游使用何种工艺和配方，科通过控制外部的污染暴露，实现更快的产品转换和更优的工艺控制。11这意味着您可以根据需要以任何剂量形式快速生产您全部的产品组合，从而更快地推动临床候选药物向前发展，最终提高上市速度。机器人灌装系统的安装仅需 6 个月至 1 年，可显著减少项目启动所需的时间，而传统系统则需要 18 至 24 个月。
mRNA 准备情况：从构思到注射
为了迅速采取行动来减缓新冠疫情，我们不得不利用一些传统且效率较低的流程和技术，但 mRNA 有着无限的发展前景，意味着我们在探索新的创新解决方案时，也可以为许多领域的改进打开大门。整个工作流程都在取得进展，人们越来越注重起始材料的保障、大型生产平台的优化以及 mRNA 工艺开发和生产技术和技能的优化。当考虑成功所需的战略和工具时，请寻找经验丰富且知识渊博的供应商，他们拥有全面的产品配置，可满足从构思到注射的整个 mRNA 工作流程的需求。这样做将使您站在这场生物制药革命的最前沿，而在这场革命中，mRNA 正在成为全球抗击和预防疾病不可阻挡的力量。1. Center for Disease Control. (May 7, 2021). Effectiveness of Pfizer-BioNTech and Moderna Vaccines Against COVID-19 Among Hospitalized Adults Aged >65 Years – United States, January-March 2021. https://www.cdc.gov/mmwr/volumes/70/wr/mm7018e1.htm
2. Kwon, Diana. (November 25, 2020). The Promise of mRNA Vaccines. The Scientist. https://www.the-scientist.com/news-opinion/the-promise-of-mrna-vaccines-68202
3. Globe News Wire. (June 23, 2021). Global mRNA Vaccines Market to Reach $127.3 Billion by 2027. https://www.globenewswire.com/news-release/2021/06/23/2251546/0/en/Global-mRNA-Vaccines-Market-to-Reach-127-3-Billion-by-2027.html
4. Colarossi, Natalie. (July 18, 2020). How long it took to develop 12 other vaccines in history. Business Insider. https://www.businessinsider.com/how-long-it-took-to-develop-other-vaccines-in-history-2020-7#influenza-5
5. Verga, David. (February 10, 2021). mRNA and the future of vaccine manufacturing. PATH. https://www.path.org/articles/mrna-and-future-vaccine-manufacturing/
6. Trefis Team, Great Speculations. How Is Moderna’s Vaccine Production Scaling Up?. Forbes. https://www.forbes.com/sites/greatspeculations/2021/01/07/how-is-modernas-vaccine-production-scaling-up/?sh=5be1a52b6e68
7. Langreth, Robert. (December 3, 2020). Pfizer Scaled Back 2020 COVID-19 Vaccine Production Targets From 100 Million to 50 Million Doses. Time. https://time.com/5917847/pfizer-cut-covid-19-vaccine-targets/
8. Akron Biotech. (October 2020). Akron Biotech Acquires Cytiva FlexFactory for the Manufacture of Plasmid DNA. https://www.akronbiotech.com/newsroom/akron-biotech-acquires-cytiva-flexfactory-for-the-manufacture-of-plasmid-dna/
9. Precision Nanosystems. Areas of Interest: Messenger RNA. https://www.precisionnanosystems.com/workflows/payloads/mrna
10. Precision Nanosystems. (2020). Accelerating the Development of Transformative Nanomedicines with NxGen™ Microfluidics Technology. https://www.precisionnanosystems.com/docs/default-source/pni-files/app-notes/model-mrna-lnp-therapeutic51394821a9754311bfebb59ab1e88149.pdf?sfvrsn=125053a8_0therapeutic51394821a9754311bfebb59ab1e88149.pdf?sfvrsn=125053a8_0
11. Chakamba, Rumbi. (May 13, 2021). The cold chain storage challenge. Devex. https://www.devex.com/news/the-cold-chain-storage-challenge-99869
12. Vanrx. Meet the SA25 Aseptic Filling Workcell. https://vanrx.com/products/sa25-aseptic-filling-workcell/