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mRNA工藝技術平臺之mRNA制劑

關鍵詞:mRNA
時間:2022-03-21 11:20:33


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mRNA疫苗或藥物的生產工藝,主要分為質粒DNA原液制備、mRNA原液制備、mRNA制劑制備三個階段。本文討論第三階段的工藝平臺,也是當前挑戰大的環節。

  關鍵的制劑技術突破解決了mRNA的成藥性問題,使其從60年的科研之路走向臨床商業化應用,并在此次新冠疫苗應用中大放異彩。據公開信息, BNT162b2和mRNA-1273 2021年累計銷售額超過580億美元。

  mRNA制劑的主要工藝環節包括mRNA的包封/裝載、復合物純化、除菌過濾、無菌灌裝等,如下圖。整個制劑工藝的核心挑戰在于遞送系統的選擇以及mRNA的包封/裝載,其余步驟采用的是現有成熟工藝。以當前主流的脂質納米顆粒(LNP)載體為例,僅相關問題,就足夠頭疼。

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▲ mRNA制劑生產工藝流程

  1 mRNA原液復融

  如果mRNA原液經冷凍儲存或運輸,那么其復融工藝是不容忽視的。具體原因和可用復融設備與質粒DNA原液復融類似。需要注意的是,mRNA分子的穩定性要遠低于質粒DNA,復融過程中需要注意避免重結晶。

  2 mRNA包封/裝載

  包封/裝載工藝的基礎是遞送系統的設計開發。良好設計的遞送系統才能使mRNA分子進入人體后避免被RNA酶降解、被有效遞送至靶點、穿過細胞膜并在胞內釋放。目前主流是采用非病毒遞送系統,包括基于脂質的遞送系統(如核酸脂質體復合物(lipolexes)、陽離子脂質體)、基于聚合物的遞送系統(如polyplexes)、基于脂質和聚合物的遞送系統(如lipopolyplexes)等。

  以目前主流的LNP為例,其直徑約100 nm,由多種脂質成分組成。Moderna公布的脂質成分包括可電離陽離子磷脂:中性輔助磷脂:膽固醇:PEG修飾磷脂,摩爾比為50:10:38.5:1.5。如下圖,mRNA(紅色)與離子化的脂質分子帶正電荷的末端結合形成復合物,脂質的疏水端向外與輔助脂質(藍色、綠色、黃色)疏水端結合,形成穩定的脂質雙分子層結構。

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▲ LNP的成分及mRNA包封結構

  mRNA-LNP包封制備的關鍵,除了脂質成分配方外,就是工藝過程的控制了,即如何控制mRNA與脂質成分的接觸和相互作用過程,以形成穩定、均一、收率高的mRNA-LNP復合物。公開報道的LNP制備方法有超聲波、剪切、均質(高壓&微射流)、擠出等。

  Pfizer/BioNTech采用的是碰撞噴射混合器 (IJM) ,能夠配制和生產帶有 API 的高質量脂質納米顆粒(例如用于 mRNA 疫苗)。 活性藥物成分與脂質的封裝過程基于碰撞噴射混合技術,其中兩股流在碰撞噴射混合室中高速碰撞。一個流包含有機溶劑中的脂質,另包含水中的 API 高速混合會降低脂質的溶解度,從而形成均勻的納米顆粒。 納米粒子的質量取決于流的流動穩定性、混合器幾何形狀和流體速度。作為后一步,混合物被稀釋防止顆粒聚集。

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▲ KNAUER 沖擊式射流混合器

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▲ KNAUER LNP包封設備

  不同的廠家可能采用不同的微流控混合/擠出技術,尤其是微流道的設計,但通過兩相混合形成包封復合物這一原理是一致的。影響終產品質量的因素除了兩相溶液自身成分特性、具體微流控混合/擠出技術外,還包括兩相溶液的注入溫度、壓力、流量、比率等。

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▲ PreciGenome 兩相混合包封技術

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▲ PNI NxGen混合包封技術

  Pfizer/BioNTech采用的是碰撞噴射混合器 (IJM),該設備較傳統微流控設備通量大,更適合中試以及生產過程,完善的GMP要求相關文件,無一次性耗材等優點,使得大規模生產變為可能。目前KNAUER已推出實驗室級別設備-IJM NanoScaler,更多信息可聯系綠綿科技15201316651(微信同號)。

  3 超濾純化

  mRNA包封后需要純化去除未包封/裝載的mRNA、游離的聚合物或脂質材料,并調整終復合物濃度、置換溶劑緩沖體系、調節pH值等,此步驟通常通過超濾/切向流過濾實現,mRNA-LNP復合物被截留,雜質及溶劑被洗濾。

  超濾工藝為成熟技術,可選中空纖維或板式膜包,關鍵的還是根據mRNA-LNP復合物的粒徑選擇合適的截留孔徑。根據終制劑成品的配方要求,純化后的mRNA-LNP溶液可能還需要進行制劑配液,添加必要的輔料成分,以利于產品的長期穩定保存和體內藥效發揮。超濾和配液相關的設備耗材品牌可見前兩篇。

  4 除菌過濾

  此步除菌過濾是終產品無菌保障的關鍵,一般采用0.22μm除菌級過濾器冗余設置,截留細菌等微生物污染物。按照當前的法規要求,必須要進行使用后濾器完整性檢測以確保終產品的無菌性。

  除菌過濾為現有成熟技術,可用一次性囊式濾器或套筒式濾器,常見材質有聚醚砜(PES)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等。在選擇時重點關注材質與產品的兼容性、溶出析出特性、通量及通量的衰減等。常用除菌過濾器品牌可見前兩篇。

  5 無菌灌裝

  對于無菌注射劑產品,灌裝技術需根據產品包裝容器來選擇。以mRNA疫苗所用西林瓶為例,無菌灌裝過程包括容器和膠塞的準備、灌裝、加塞、軋蓋、燈檢等步驟。

  西林瓶的準備步驟主要是洗瓶、干燥和除菌除熱原,大規模生產時,行業常用洗烘灌聯動線進行連續化生產。膠塞的準備過程主要是清洗和滅菌,可以在生產前采用清洗機和滅菌柜進行準備或直接采用免洗免滅菌的無熱原膠塞。

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▲ 自動化連續無菌灌裝加塞

  由于灌裝過程為開放式操作,無菌污染的控制是為關鍵的,要考慮到人員、設備、物料、環境和操作方法等方面,如無菌灌裝、加塞及產品未完全密封時的轉移等操作均需要在A級環境進行。

  灌裝線常見的品牌包括Syntegon, B+S, IMA, Optima, Romaco/楚天, ROTA/奧星, 東富龍等。隨著一次性使用系統的廣泛應用,灌裝機廠家開始與耗材廠家合作推出一次性灌裝系統,如Syntegon與Sartorius推出的PreVAS, 一次性使用耗材廠家也能提供灌裝耗材定制服務,如Pall, Merck, Avantor, Meissner, 樂純等。

  6 包裝儲存運輸

  完成灌裝和質檢的mRNA制劑產品,根據儲存運輸要求被冷凍至儲存溫度,之后完成運輸包裝以便于全球流通。對于需要冷凍儲存的mRNA產品,有必要在儲存和運輸過程進行持續的溫度監測,以證明其始終處于規定的儲存溫度范圍,否則不能保證終患者給藥時產品的安全性和有效性。

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▲ mRNA疫苗成品進行冷凍儲存

  寫在后

  雖然mRNA新冠疫苗仍是當前上市的mRNA產品,然而理論上通過mRNA可以編碼任何人類需要的蛋白,不論是作為疫苗還是治療性藥物。Moderna公開的在研管線就包括了預防性疫苗、全身性細胞內治療、局部再生療法、全身性分泌和細胞表面治療、癌癥疫苗、腫瘤內免疫腫瘤治療等。

  據 Nature 2021年9月份的綜述預測,mRNA新冠疫苗在mRNA藥物市場的占比將隨著更多mRNA產品獲批上市而逐年下降,10年后將低于50%,更多mRNA產品將得以應用。

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▲ mRNA產品市場演變預測

  我國《“十四五”醫藥工業發展規劃》明確提出加快核酸疫苗技術平臺建立,推動相關產品的開發和產業化,支持疫苗企業和重要原輔料、耗材、生產設備、包裝材料企業協作,提高各類產品質量技術水平??梢妋RNA技術平臺是一定要突破的。

  整個mRNA制劑工藝流程中,核心挑戰在于遞送系統的設計和包封工藝,其余部分采用的是現有成熟技術。由于mRNA遞送技術當前仍處于不斷摸索和更新中,未來仍有很多可變性和提升空間,目前仍很難將其稱作平臺工藝,相信隨著更多研究和應用數據的積累,遞送技術平臺將逐步完善。另一方面,mRNA-LNP配方體系仍需要優化以提升制劑產品的穩定性,降低對冷凍儲存和運輸的要求,從而更利于mRNA產品的流通和臨床應用。

  此文對mRNA制劑工藝平臺進行梳理的目的,在于讓同行更為了解整個工藝平臺及現有資源,以便于提升自身的工作效率;同時,讓更多同行了解國內與國際品牌在工藝平臺能力上的差距,看到努力的方向。

  文章內容僅基于筆者的知識經驗、信息梳理和總結,可能存在錯誤或疏漏,還請廣大讀者批評指正,歡迎留言評論更正或補充,感謝!

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  注:部分參考信息、圖片和視頻來源于網絡。

  參考文獻

  藥品審評中心, 新型冠狀病毒預防用mRNA疫苗藥學研究技術指導原則(試行), 2020年8月.

  S. Fahr et al. Mobileon-Demand (MOD) mRNA Vaccine Production: A Design and Optimal Location Study.Aachener Verfahrenstechnik, 2021.

  Cross, R. Withoutthese lipid shells, there would be no mRNA vaccines for COVID-19. C&EN2021, 99. https://cen.acs.org/magazine/99/09908.html

  Aldosari et al. LipidNanoparticles as Delivery Systems for RNA-Based Vaccines. Pharmaceutics, 2021. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13020206

  Xie W, Chen B, WongJ. Evolution of the market for mRNA technology.Nature Review Drug Discovery.2021 20(10): 735-736. doi: 10.1038/d41573-021-00147-y.

來源:生物創客

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