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浅析mRNA疫苗的工艺流程

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GMP论坛网友
GMP论坛网友  发表于 2022-4-6 14:16:19 |阅读模式
  新冠病毒的蔓延促进了mRNA技术的发展,成为2021年《麻省理工科技评论》发布的“全球十大突破性技术”名单的榜首,并指出mRNA技术在各种传染病与肿瘤等治疗方面拥有广阔的应用前景。

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《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术

目前,在Clinical Trial网站上,有大约80项有关mRNA技术的临床试验在开展,有用来制备流感疫苗、宫颈癌疫苗、非小细胞肺癌疫苗、食管癌疫苗、新冠疫苗等。随着mRNA疫苗研发管线越来越丰富,商业化产品越来越多,其生产工艺也正在逐渐趋于成熟,主要流程为:
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mRNA的工艺流程:

01
质粒的制备及线性化
质粒DNA主要是通过大肠杆菌的表达获得,其技术已经相当成熟,获得纯化的质粒后,用限制性内切酶对质粒进行酶切,处理成线性化双链DNA模板,作为mRNA体外转录的模板。
之前有文章报导滚环扩增(Rolling Circle Amplification,RCA)可以不用PCR,37度扩增质粒,此技术用了一个特殊的DNA聚合酶phi29,它可以自己打开DNA双链,无需PCR反应加热解双链。虽然此过程不需要细胞参与,大大提高了工作效率,但目前未见用于工业化。

02
mRNA的体外转录
mRNA的体外转录有两种方式:一种是以线性化质粒为模板,利用含有T7启动子或SP6启动子条件下,以NTP为底物,使用RNA聚合酶合成mRNA再进行修饰;另一种是先进行加帽、加尾及碱基类似物修饰,再利用T7 RNA聚合酶合成mRNA。
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mRNA的分子结构特征
Pharmaceutics.2020 Feb;12(2):102

03
mRNA的加帽加尾
mRNA转录后或在转录过程中需要加帽加尾,主要作用是提高mRNA的翻译效率,维持mRNA的稳定性。mRNA的加帽过程主要是在mRNA 5´端第一个核苷酸上添加7 - 甲基鸟苷(m7G),可保护mRNA免于降解,增加可议性及调高剪接效率,是促进核糖体靶定到mRNA进行翻译的关键因子。帽结构共分为三类:Cap 0,Cap 1,Cap 2,目前有三种工艺路线进行加帽反应:
1)转录完成后,通过加帽酶、S-腺苷甲硫氨酸(SAM)与GTP进行加帽。此方法采用酶学法,利用牛痘病毒加帽系统,使用天然帽,系统内含RNA三磷酸酶、鸟嘌呤甲基转移酶及鸟嘌呤转移酶、甲基供体SAM、GTP和反应缓冲液。此反应将Cap 0 mRNA转化为Cap 1 mRNA,反应时间较短,帽结构以正确方向进行添加,加帽效率接近100%,效率较高,但是需建立额外的酶反应体系。
2)转录过程中加入帽结构类似物。在转录反应中添加mRNA帽类结构类似物,如利用抗-反帽结构类似物(ARCA)共转录定向加帽,这种转录方式产量较低,但是反应速度快。
3)Cleancap技术,通过模仿产生天然Cap 1结构,减少模式识别受体的激活,降低对宿主先天免疫系统的刺激,解决与ARCA相关的加帽效率低或酶成本高的问题。此方式加帽效率高于94%且毒性小,技术简便,是新一代加帽技术。
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mRNA的加帽技术
* 以上图片来源于网络
mRNA 3´端有一段多聚腺苷酸尾,称Poly A尾,与mRNA 5´端的5´Cap共同调解mRNA的翻译效率,长度最佳为120-150个核苷酸,过长或过短都会影响mRNA的稳定性和翻译效率,是否含有Poly A 尾也会影响翻译效率。mRNA的Poly A尾具备可以助力mRNA从核到细胞质的转运与降低mRNA受到核酶的降解,增强mRNA的稳定性等功能。mRNA加尾方式有两种:
1) 通过使用重组Poly A聚合酶进行修饰,但制备出的Poly A尾长度不同,会影响翻译效率。此方法受温度和时间影响,RNA降解快,需计算RNA与ATP的比例。
2) 通过在模板中设计编码固定长度的序列,在体外直接转录生成,此方法操作简单,可以明确Poly A尾的长度。

04
mRNA的纯化
通过反转录及酶反应获得的mRNA产物会产生截短型RNA、双链(ds)RNA、反应物等杂质,在下游的纯化工艺中需要进行去除。目前主要的mRNA纯化技术有:
1)Oligo(dT)亲和层析:通过与Poly A尾结合,进行亲和纯化,可以去除大部分NTPs、酶、DNA等杂质,但不能区分dsRNA和截短型RNA。
2)离子交换色谱IEC:通过等电点不同来做纯化,对dsRNA和截短型RNA都有一定的区分能力,一般作为精制纯化。IEC在单抗生产中已经很成熟,可以实现工艺快速放大。
3)疏水层析HIC:可以作为精制纯化步骤,进一步区分dsRNA与截短型RNA,但此方法放大有难度。
4)离子对反向色谱法:可以很好地通过疏水性来区分目标产物,分离效果佳,但是反相柱难以放大,且乙腈毒性也较大。

05
mRNA的递送
由于mRNA较大(104–106Da)且带负电,无法通过细胞膜的阴离子脂质双层,因此体内应用需要使用mRNA递送载体,该载体转染免疫细胞而不会引起毒性或不必要的免疫原性。目前,有多种技术用于mRNA的递送,其中最广泛应用的是脂质纳米颗粒LNP。
LNP主要由可电离阳离子脂质、胆固醇、中性辅助磷脂和聚乙二醇修饰的磷脂组成,主流的LNP制备方法是微流控混合法,将含有脂质的乙醇溶液和含有核酸的水溶液,分别注入制备系统的两条通道,在层流中两相不会立即混合,通过通道中设计的微观特征可重复地控制两相的混合,从而快速、可控、均匀的混合产生纳米颗粒。
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LNP 脂质纳米颗粒

06
LNP的浓缩换液
传统的浓缩换液采用的是切向流超滤TFF技术,主要是形成循环浓缩,上游料液在浓缩过程中会承受泵、管路和超滤膜包的剪切力作用。PALL拥有Single Pass TFF技术,通过膜结构的内部改变,使料液在膜包内单向流动一次,在回流端获得浓缩后的料液,通过增加流路长度达到浓缩效果。这种技术大幅度降低了料液循环次数,并大大降低膜包剪切力,对剪切比较敏感的LNP、蛋白、病毒等具有保护作用。
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Single Pass TFF 单向流动模式
07
mRNA生产的工艺方案
对于mRNA的整个生产工艺来说,丹纳赫生命科学拥有两种工艺路线方案。
路线一:采用一次性混合器或反应器进行质粒的线性化、体外转录、加帽加尾以及DNA降解反应,使用超滤膜包或中空纤维进行超滤浓缩,LNP浓缩换液采用PALL的Single Pass TFF技术,除菌过滤也是采用PALL的囊式滤器。此种路线适用于mRNA转化效率高、DNA降解得比较好的工艺流程。
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mRNA工艺路线1

线路二:加入了层析的步骤,实现对mRNA的富集和纯化。
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mRNA工艺路线2

随着越来越多的企业加入到mRNA药物的研发和生产中,选择适合自己的工艺路线,达到效率、质量和成本的相对平衡是需要考虑的重要因素,丹纳赫生命科学多样化的mRNA制备方案给用户提供了不同的选择方向。

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