医药行业专题研究报告：mRNA疫苗前景广阔.docx

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1、医药行业专题研究报告：mRNA疫苗前景广阔1 总论：RNA 治疗行业春风已至，将迎药物革命新浪潮前言：新冠疫情在全球范围内暴发，mRNA 疫苗在新冠疫苗的研发竞赛中 一枝独秀，为防控疫情提供了有力的支持。mRNA 疫苗也逐渐走入大众的 视野，学术、产业与资本等多方对 RNA 治疗领域表现出了极大的兴趣和 热情。借此契机，国金证券医药团队在对 RNA 治疗行业的梳理与研究基础上，撰写了本篇 RNA 治疗行业的深度报告，报告共分为上、下两篇， 上篇重点介绍 mRNA 疫苗行业，下篇重点介绍小核酸药物行业，旨在帮助 各位投资者加深对 RNA 治疗行业的理解。RNA 疗法主要分三类，可调控致病基因的表

2、达。RNA 疗法是指利用具有 治疗疾病功能的核酸从根源上调控致病基因表达的疗法。RNA 疗法按作用 机制分为三类：1）编码治疗性蛋白或抗原的 mRNA 疗法；2）以核酸为靶 向，抑制致病性 RNA 活性或激活基因活性的小核酸疗法，包括反义寡核 苷酸（ASO）、小干扰 RNA（siRNA）、微小 RNA（miRNA）、小激活 RNA（saRNA）等疗法；3）以蛋白质为靶向，调控蛋白质活性的核酸适 配体（Aptamer）疗法。RNA 疗法具备多重优势。1958 年，克里克提出中心法则：遗传信息从 DNA 传递到 RNA，再传递到蛋白质，即转录和翻译。传统小分子药物与 抗体药作用靶点是蛋白质，通过调

3、控已生成蛋白质的功能来发挥疾病治疗 的作用；小核酸药物的作用靶点是 RNA，可以调节蛋白质的生成；mRNA 疫苗则可以在进入人体后直接表达目标蛋白。与基因疗法相比，RNA 疗法 安全性更高，因为没有进入细胞核插入基因组的风险；与以蛋白质为靶点 的传统药物相比，RNA 疗法具有设计简便、研发周期短、候选靶点丰富等 多种优势，因此成为科学研究和产业界关注的新型疗法。RNAi 机制曾获诺奖。1978 年 ASO 的概念被首次提出；1998 年首款 ASO 药物福米韦生（Fomivirsen）于美国获批上市；20 世纪 90 年代至 21 世纪初，研究人员又相继提出了 RNA 适配体、mRNA、siR

4、NA 和 saRNA 等疗 法；2006 年 RNA 干扰（RNAi）机制研究获得了诺贝尔生理学或医学奖； 2018 年首款 siRNA 药物成功获得 FDA 批准；2020 年以 ASO 药物 Milasen 为代表的超个体化药物技术，入选 MIT Technology Review 十大 突破技术。关键技术取得突破，多款药物获批上市。由于体内稳定性、靶向性、免疫 原性等问题，RNA 疗法早期应用受到限制。近年来，化学修饰及递送系统 取得一定突破，RNA 疗法取得积极进展，已可应用于罕见病、肿瘤、感染 性疾病、神经系统疾病、心血管疾病、代谢疾病、眼病等疾病的治疗。自 新冠暴发以来，目前已有多

5、款新冠 mRNA 疫苗凭借着出色的保护率成功获批上市。此外，已有多款 RNA 疗法产品获批，RNA 疗法将逐渐进入成果 收获期。2 mRNA 疫苗技术介绍 技术原理：mRNA是连接基因与蛋白质的桥梁蛋白质是生命活动的承担者，mRNA 是连接基因与蛋白质的桥梁。1958 年，克里克提出中心法则：遗传信息从 DNA 传递到 RNA，再传递到蛋白 质，即转录和翻译。mRNA（信使 RNA）是一类单链核糖核酸，它由 DNA 的一条链作为模板转录而来的、携带遗传信息并且能指导蛋白质的合成。与长度小于 60nt 的小核酸药物相比，mRNA 的长度更长，一般约为 500 至 5000nt。mRNA 作为疫苗

6、或者药物，可在人体内表达目标蛋白。因 为 mRNA 在细胞内翻译且不进入细胞核，所以无整合进人体 DNA 的风险。 同时，它也可作用于传统小分子药物以及抗体药物等无法触及的胞内靶点， 因此具有更广阔的应用空间。mRNA疫苗主要分为两类，均具有预防和治疗疾病的作用。1）病毒衍生的自我扩增型 mRNA 疫苗（SAM）：不仅可以编码目标抗原， 还可以编码病毒的复制机制。因此自我扩增 mRNA 疫苗编码的遗传信息会 被放大很多倍，从而使得相对低剂量的疫苗就可以产生较高水平的抗原表 达；但缺点是 mRNA 体积较大，生产过程复杂，而且编码蛋白可能会诱导 非预期的免疫反应，如复制机制产生的复制酶，理论上会

7、限制其技术平台 在同一人体中的重复使用。2）非复制型 mRNA 疫苗（NRM）：优势在于结构简单，mRNA 体积小， 对插入开放阅读框（ORF）中目标抗原转录本的大小限制更少。目前，非 复制 mRNA 疫苗的研发进展较快，已有多个品种处于临床试验中；而自扩 增 mRNA 疫苗尚未在临床研究中进行验证。mRNA 疫苗发挥作用需要经过以下几个步骤：1）mRNA 被各种递送载体 包裹；2）注射进入人体；3）包裹 mRNA 的脂质体胞吞进入细胞；4） mRNA 在细胞内释放，利用人体的细胞器翻译表达抗原蛋白，刺激人体产 生免疫反应。发展历程：关键技术的突破使得 mRNA疫苗未来可期早期技术缺陷使 mR

8、NA 疫苗研究进展缓慢。1961 年，首次发现 mRNA； 1990 年，Wolff 等人发现在小鼠肌肉组织中注射含有特定基因的质粒 DNA 或 mRNA，小鼠组织局部会产生该基因编码的蛋白产物，此后多项研究发 现用核酸免疫动物，可以诱导机体产生针对该核酸编码抗原的免疫力。起 初，mRNA 因其高免疫原性、低稳定性、在组织内易被降解、细胞吸收率 低以及生产制备的局限，发展较为缓慢。新技术发展使得 mRNA 疫苗重新得到重视。近年来随着 mRNA 合成、化学修饰和递送技术的发展，mRNA 的稳定性和翻译效率大幅提高，免疫原 性逐步可控，在肿瘤免疫治疗领域和突发传染病领域显示出巨大的商业价 值，因

9、此 mRNA 疫苗重新受到重视。独特优势：mRNA疫苗具备显著优势，未来发展潜力巨大mRNA疫苗在研发和生产等方面具备显著优势。1）研发周期短、抗原选择范围广。与传统疫苗相比，mRNA 疫苗的研发 只需要在成熟技术平台上更换抗原序列即可，因此研发周期较短，在防控 突发传染病等方面有巨大优势；在抗原序列方面，理论上任何可成蛋白的 抗原序列均可被选择（包括原先不可成药的胞内靶点），因此可选范围广阔， 应用范围也更广阔，如：蛋白替换疗法、肿瘤免疫以及传染病疫苗等， mRNA 疫苗发展潜力巨大。2）安全性高。mRNA 能够被正常的细胞自然降解，半衰期与免疫原性等 可通过修饰和递送系统来人工调节，因此

10、mRNA 疫苗安全性较高；此外， 与 DNA 疫苗相比，mRNA 不存在感染或插入突变的风险。3）有效性高且稳定。多种修饰后的 mRNA 更稳定，在细胞质中被高效摄 取和表达；mRNA 疫苗具备自我佐剂特点，因此表现更强的免疫原性，有 效性更高；此外，mRNA 是最小的遗传载体，因此避免了抗载体免疫，可 以重复接种 mRNA 疫苗。4）生产难度低、速度快且安全。mRNA 疫苗不依赖细胞培养技术，现有 的体外转录技术能够非常快速、廉价地大规模生产 RNA 疫苗；相比于传 统疫苗的 5-6 个月的生产周期，mRNA 疫苗只要掌握了病毒基因序列就可 以在 40 天内完成疫苗样品的生产制备；整个生产过

11、程仅涉及生物化学合 成，因此无病毒感染风险，难度低且更安全。此外，mRNA 作为疫苗可以 同时激活体液免疫和细胞免疫，效果显著。应用领域：应用范围广阔，传染病、肿瘤、蛋白代替疗法mRNA 作为疫苗，可以被广泛应用于传染病、肿瘤以及蛋白替换疗法等领 域，应用范围较为广阔。1）传染病领域。针对传染性病原体开发预防性疫苗是控制和阻止传染性 疾病大规模流行的关键。mRNA 疫苗能够靶定病毒的保守区域，直接在细 胞中表达产生特定抗原，激活机体的免疫应答产生抗体，从而达到预防传 染性疾病的目的。目前开发的传染病 mRNA 疫苗主要针对流感、呼吸道合 胞病毒、HIV 等。2）抗肿瘤领域。抗肿瘤 mRNA 疫

12、苗根据作用机理一般分为两类，基于树 突状细胞（DC）给药的 mRNA 疫苗和直接注射的 mRNA 疫苗。如： Moderna 的针对实体瘤的 mRNA-4157 与 BioNTech 的针对转移性黑色素 瘤的 BNT122。3）蛋白替代疗法领域。通过将人体变成自身蛋白加工厂，从而可以用来 治疗一些罕见病。如 Moderna 公司用于治疗甲基丙二酸血症（MMA）的 mRNA-3704 和治疗丙酸血症（Propionic Acidemia，PA）的 mRNA-3927 等。研发生产：关键技术在于化学修饰与递送系统mRNA 疫苗的研发环节包括：抗原的选择、基因测序、选定编码目标抗原 的基因序列并进行

13、优化、修饰核苷酸的筛选、递送体系的优化、免疫效果 评价、安全性评估等。mRNA 疫苗的生产流程包括：1）mRNA 的合成修饰、递送；2）在中试 车间中进行疫苗生产、纯化、制剂、检测等；3）在 GMP 生产车间中进行 放大生产。开发难点和关键技术点在于合成修（提高 mRNA 分子的稳定性，防降解）和递送系统（提高进入人体细胞的效率，使得产生抗原刺激人体 产生免疫反应）。mRNA 疫苗的工艺优势在于研发、生产速度快。因为 mRNA 疫苗的研发过程较为类似，所以在研发过程中可进行高通量筛选， 从而提高研发速度，此外 mRNA 疫苗的生产工艺可直接放大，成药快；而 传统疫苗生产过程中，每个蛋白表达都存

14、在差异性，需要筛选优化。专利布局：重点布局递送和修饰，新冠 mRNA疫苗专利关系复杂自 2014 年开始，mRNA 疫苗的专利申请数量快速增加，其中适应症为传 染病和癌症的相关专利申请数量增加较为突出；而自 2017 年开始，适应 症为传染病的专利申请数量超过了癌症，可能与 MERS、Ebola 和新冠疫 情的暴发有关。总体来看，目前专利重点布局递送系统和化学修饰领域， Moderna、CureVac、BioNTech 和 GSK 共同拥有近一半的 mRNA 疫苗专 利申请。新冠 mRNA 疫苗的专利保护与许可交易关系错综复杂。相比于长度较小 的小核酸，mRNA 的长度较长，同时还具备复杂的二

15、级结构，因此 mRNA 对与递送系统有着更高的要求，所以我们需要重点关注递送系统以及其专 利问题。以新冠 mRNA 疫苗的递送系统为例，BioNTech 不得不将其原有 的 LPX 递送系统更换为 LNP，而 Moderna 则冒着被诉讼的风险直接启用 了专利属于 Arbutus 公司的 LNP 递送系统。事实上，目前 LNP 递送系统 几乎都可以追溯到同一 IP 来源。mRNA 分子修饰的关键专利壁垒较高。2005 年，Katalin 和 Drew 等人发现用假尿苷去替换 mRNA 中的尿苷，不但能够让合成的 mRNA免受免疫 系统的攻击，而且显著增强了 mRNA 表达蛋白的能力。这一突破性

16、的发现 结果发表在 Immunity 杂志上，解决了 mRNA 临床应用的最大难题，从此 揭开了 mRNA 临床应用的序幕。目前，mRNA 分子修饰的专利壁垒较高， 专利的源头 Katalin、Drew 以及美国宾夕法尼亚大学独家授权给 mRNA Ribo Therapeautics，该公司随后将专利二次授权给 Cellscript。随后，Cellscript 又将专利二次授权给 Moderna 和 BioNTech 。Moderna 与 BioNTech 的新冠 mRNA 疫苗使用 N1-methylpseudouridine (1m)取代尿 苷(U)进行核苷修饰，显著降低了 mRNA 的先

17、天免疫应答。相比之下，作 为 mRNA 三巨头之一的 CureVac 或许因为在 mRNA 分子修饰方面存在专利问题，所以采用了未经修饰的尿苷，通过序列优化和选择非翻译区 （UTRs）来增强 mRNA 的翻译，因此导致免疫原性较高、剂量较小、效 果较差。LNP 递送技术原本用于递送 RNAi 药物。Arbutus 是 LNP 递送技术的开山 鼻祖，是一家专注于乙肝的小型生物制药公司，发明 LNP 递送技术的目的 主要是用于递送乙肝 RNAi 药物。该公司在取得专利后将 LNP 递送技术授 权给 Alnylam，Alnylam 利用 LNP 递送技术成功上市了第一个治疗 ATTR 的 RNAi

18、药物。然而，Alnylam 后来开发了带有葡萄糖乙酰胺靶向配体、 靶向肝脏的 RNAi 技术，该技术安全性更好、给药周期更长、更方便。随 后，Arrowhead 公司马上跟进该技术，研发了首个治愈乙肝潜力的 RNAi 药物，并授权给强生开发。此时，乙肝 RNAi 药物的递送技术已经从 LNP 转到靶向配体，Arbutus 的乙肝 RNAi 药物的开发进度已经有所落后。但后 来，LNP 递送技术被多家开发 mRNA 的公司所青睐，如：Moderna、 Curevac、BioNtech 等。他们通过间接授权获得 LNP 递送技术，但目前产 生了一定的专利纠纷。LNP 递送技术壁垒高，专利问题尚存纠

19、纷。Arbutus 将 LNP 递送技术（专 利号：US8058069）部分转移给加拿大公司 Acuitas，并规定 Acuitas 只 在“antisense”和“基因治疗”两个领域拥有 LNP 技术的使用和二次授 权权利。2016 年，Acuitas 却违规地将 LNP 全部 技术二次授权给 Moderna 以及 CureVac。但 Arbutus 并不认可此次的二次授权并向法院提 起诉讼。根据法院判决，Moderna 只被允许在 4 种病毒疫苗的研发上继续应用 Arbutus 的 LNP 递送系统，其余的应用授权都无效。2017 年， Arbutus 终止了 Acuitas 继续使用和二

20、次授权 LNP 递送技术的权益。2018 年，Arbutus 与 Riovant 公司共同成立了 Genevant，并将 LNP 递送技术的 权益转移给 Genevant。Genevant 拥有 LNP 递送系统专利，包括纳米颗 粒制备专利和阳离子脂质（MC3）专利，其中 MC3 专利预计 2030 年到期。 BioNTech 从 Genevant 得到 Arbutus 的专利授权，使用 Arbutus 的 LNP 递送系统是因为已经有使用该技术的药物被 FDA 审批通过，递送系统的安全性有保证，并能够加速审批时间。此外，Moderna 从 2018 年开始挑战 Arbutus 的 LNP 专

21、利，包括当年授权给 Acuitas 的 US8058069，但是该专 利挑战失败。此外，Moderna 也开始自主研发 LNP 递送技术。但 Arbutus不依靠 Arbutus 专利的情况下开发出有效的脂质体递送技术。目前， Moderna 之前获得授权的 4个产品仍然保留了 LNP 递送技术的使用权， 其他授权目前已终止。Moderna 新冠疫苗 mRNA-1273 采用自研的 LNP 递 送系统。BioNTech 目前共有三种递送系统：Genevant 授权的 LNP、自研 的 RNA-LPX、自研的多聚体 纳米粒，其中新冠疫苗 BNT162 采用 Genevant 授权的 LNP。Cu

22、reVac 目前的 LNP 专利情况不清晰，或需要向 Genevant 申请 LNP 技术适用权限。现存挑战：重点关注 mRNA疫苗的安全性、有效性与稳定性mRNA 疫苗或药物创新程度较高，应重点关注 mRNA 疫苗的安全性、有 效性与稳定性。1）安全性：mRNA 疫苗成分复杂、生产及制剂工艺难度高，所以对安全 性有较高的要求。安全性风险主要来自于 mRNA 和递送系统两个方面，应 重点关注与脂质相关的毒性问题，如：阳性聚合物材料自身的毒性或安全 性、制剂及贮存期间产生的降解产物以及各类杂质累积的安全性风险等；2）有效性：mRNA 疫苗的有效性主要由递送效率、翻译效率以及免疫原 性等因素决定；

23、3）稳定性：mRNA 稳定性较弱，在人体内极易被酶降解，半衰期仅有 7 小时；此外，作为递送系统的脂质也应保证一定的稳定性，从而保证高效 稳定的递送效率。从 mRNA疫苗的研发生产流程来看，应重点关注下列问题：1）序列选择：应重点关注目标抗原的选择、序列的优化、核苷酸的化学 修饰、表达效率、免疫原性、二级结构、稳定性等。2）mRNA：应重点关注 mRNA 的修饰比例、加帽/尾效率、去磷酸化程度、 mRNA 降解片段、mRNA 的完整性及序列的准确性、dsRNA、mRNA 含 量等。3）递送系统：应重点关注递送系统的组成成分、配比、来源、生产工艺、 质量控制、稳定性、杂质。以脂质纳米颗粒为例，应

24、重点关注电荷、粒径 分布、pH 值、纳米颗粒对 mRNA 的包封率、包封后 mRNA 的完整性、功能性及含量、mRNA 释放效率等问题，电荷会影响纳米粒的稳定性、入胞 效率、内体逃逸及不良反应等；pH 值会影响递送材料与 mRNA 复合的效 率。4）杂质：应重点关注聚正电荷材料相关杂质，包括材料合成产生的杂质 及 mRNA 复合过程中可能产生的杂质；不饱和脂质的氧化及相关降解产物； 纳米颗粒聚集产生的颗粒物也是潜在杂质；未组装的脂质分子、阳离子物 质、游离 mRNA。其中，未组装的脂质分子会影响 LNP 的稳定性；游离 mRNA 易降解，同时也可能引起非特异免疫刺激，影响产品的安全有效性。5）

25、生产工艺及质量研究工艺：临床样品制备工艺应具备一定规模、生产 连续性和放大可行性； mRNA 原液生产工艺应关注 mRNA 序列完整性、 加帽率、去磷酸化、PolyA 尾长度、纯度、mRNA 序列生物活性表达、工 艺相关杂质的去除、产品相关杂质残留等；纳米颗粒生产工艺应关注现有 制剂规模、放大能力、耗材使用次数、GMP 符合情况等；纳米颗粒质量研 究应关注包封率、粒径分布、纳米粒的稳定性、纯度、不完整 LNP、纳米 颗粒各成分含量、工艺相关杂质的去除、免疫原性等。3 mRNA 疫苗技术难点序列选择：正确的序列选择是成功的一半正确选择病毒的抗原序列非常重要。宿主可根据 mRNA 携带的编码信息来

26、 合成任何蛋白质，所以 mRNA 疫苗在选择抗原方面异常灵活。但在选择特 定病毒的正确抗原时必须非常谨慎，要保证疫苗包含 RNA 所编码的蛋白 既安全又有效。由于不同的蛋白质是由不同的 RNA 序列编码，因此找到 最佳蛋白质抗原是确定 mRNA 疫苗研发方向的关键。严重急性呼吸综合征 （SARS）和中东呼吸综合征（MERS）暴发多年后仍未研发出疫苗的原 因之一就是尚未就哪种抗原既安全又有效达成广泛共识。mRNA 序列的优化也十分重要。Moderna 等公司与 Amazon 等合作解决 序列优化的问题；斯微生物通过与全球公司合作并借助“AI+云计算”技术， 开发独特算法技术（proprietar

27、y），以实验数据矫正数字模型，并改善预测 和序列设计的准确性和效率。与传动的序列优化平台相比，该技术可以把 mRNA 的表达效率提高 3-4 倍，并降低 mRNA 的降解比例。化学修饰：多种方法可调节 mRNA稳定性、翻译效率及免疫原性mRNA 的结构组成含有几个必要的元件，依次包括帽子结构（Cap）、5 UTR 区、编码抗原蛋白的开放阅读框（ORF）、3UTR 区和 Poly（A） 尾结构。通过对 mRNA 的元件进行设计，可以提高 mRNA 的稳定性和翻 译效率。除了不稳定性和翻译效率外，mRNA 的另一个缺点是免疫原性过 高。目前的策略是在 mRNA 分子中掺入化学修饰过的核苷酸，可显著

28、提高 其翻译效率，延长其半衰期，同时达到降低其免疫原性的目的。Cap 结构Cap 结构与 mRNA 的稳定性和免疫原性密切相关，还会影响 mRNA 的翻 译效率。主要功能有：1）作为翻译起始的必要结构，为核糖体对 mRNA 的识别提供了信号；2）增加 mRNA 的稳定性，保护 mRNA 免遭 53 核酸外切酶的降解；3）作为自身识别信号，避免激活 Rig-I 及 IFIT 而导致 的免疫抑制。通过引入抗-反转帽子类似物（ARCA），可以提高 mRNA 的 翻译效率；此外，在 ARCA 基础上修饰 Cap 结构，还可以提高 mRNA 的 稳定性。5UTR 区5UTR 区的结构特征是影响 mRNA

29、 翻译效率的主要因素之一。在真核细胞 中，翻译开始前 mRNA 需要招募核糖体亚基结合到其 5m7G cap 上，但 起始密码子又常常在 5m7G cap 下游较远的地方，所以核糖体亚基需要经 过 5UTR 到达起始密码子 AUG 处,从而开始翻译。因此, 5UTR 的长度和 结构对翻译的起始具有重要影响。此外，紧密的二级结构会阻止核糖体的 结合, 所以在设计 mRNA 时, 5UTR 不能太长或太紧密。在设计 mRNA 时,应该避免在 5UTR 区域引入上游开放阅读框序列和起始 密码子 AUG。上游开放阅读框序列是存在 5UTR 的一段包含起始密码子 和终止密码子的连续碱基序列，它可能会抑制

30、 ORF 区基因的表达，也可 能导致 mRNA 的降解，因此对蛋白表达具有负面影响。最后,在 5UTR 区 域引入强的 Kozak 序列可以加强起始密码子的识别,让 mRNA 更容易被翻 译，避免避免错误启动（在哺乳动物中 Kozak 序列是 GCCRCCAUGG， 其中 R 代表嘌呤）。开放阅读框（ORF）在 mRNA 的开放阅读框（ORF）中，将常用的密码子去替换不常用的密码 子，即密码子优化，这一过程可以提高 mRNA 的稳定性和翻译效率。在开 放阅读框（ORF）中，每相邻的 3 个核苷酸组成密码子，在翻译时代表某 一种氨基酸。密码子的组成对 mRNA 的翻译效率和稳定性都有显著影响。

31、同义密码子是指序列不同但是对应相同氨基酸的密码子,而不同生物常用的 密码子组成都不相同。故将 mRNA 注射到人体内, 原宿主的 mRNA 包含的 密码子虽然对应相同的氨基酸，但是并不常用，导致 mRNA 进入人体后不 稳定并且翻译效率低，所以需要进行密码子优化。此外，通过增加嘌呤和 胞嘧啶（GC）含量也有一定正面效果。3UTR 区3UTR 区是 mRNA 不稳定因素的集中区域，其中 AU富集序列（AREs）、 AUUUA 重复序列和 GU 富集序列（GREs）是 3UTR 引起 mRNA 不稳定 的最常见因素。因此，在合成的 mRNA 中应避免这些序列。3UTR 内的 AU 富集序列（ARE

32、s）是激活 mRNA 快速衰变的顺式作用序列, AREs 上 的 AUUUA 重复序列数量和位臵对 Poly（A）尾的缩短和 RNA 降解有关键 的影响。而该区域上的另一 GU 富集序列（GREs）, 在哺乳动物细胞中能 与 CELF1 蛋白结合从而加快 mRNA 的衰变。此外，通过引入稳定元件， 可以显著提高 mRNA 的稳定性，延长其半衰期。例如，BioNTech 公司专 利中使用了 2 个球蛋白（-globin）串联的 3UTR，这大大地增强了 mRNA 的稳定性。此外，人类和球蛋白的 3UTR 可增强 mRNA 的稳 定性和翻译效率，头尾排列的人类 2 个-球蛋白的 3UTR 可增加

33、mRNA 的稳定性。Poly（A）尾Poly（A）尾是影响 mRNA 翻译效率和稳定性的重要因素。在翻译效率方 面，Poly（A）尾和 5帽的协同作用可以增加翻译效率；在稳定性方面， Poly（A）尾的去除是大多数真核 mRNA 降解的第一步和限速步骤，且 Poly（A）尾的存在可以抑制 mRNA 的降解和脱帽。Poly（A）尾的重要 作用决定了实验中对 mRNA 进行加尾处理的必要性。在体外为 mRNA 加 尾有两种方式：第一种是先进行体外转录，再通过酶促多聚腺苷酸化将 Poly（A）尾加到 mRNA 上；第二种是将 Poly（A）尾序列加在模板上， 直接通过体外转录合成带 Poly（A）尾

34、的 mRNA。通过酶促反应进行加尾时，需要注意 Poly（A）尾后若有其他碱基可能会影响其功效，因此应避 免在体系中混入其他核苷酸。与此同时，最好将 Poly（A）尾的长度保持 在最佳的 100 至 120 个核苷酸。例如，在 BioNTech 公司公开的专利中， 长度为 120 个核苷酸的 Poly（A）尾有最高的稳定性和翻译效率。但由于 酶促反应进行加尾受到温度、酶质量等反应条件的影响较大，导致 Poly （A）尾长度无法保证完全一致，故在大多临床试验中只能保证加尾长度 最少为多少，如果需要保证精准的 Poly（A）尾长度则需采用第二种方法。核苷酸类似物通过使用核苷酸类似物可以提高 mRN

35、A 的稳定性、降低免疫原性并且增加 翻译效率。如：假尿苷（）、5-甲基胞苷（m5C）、N6-甲基腺苷（m6A）、 5-甲基尿苷（m5U）和 2-硫尿苷（s2U）等，其中尿嘧啶类似物在核苷酸 修饰中较为常见。递送系统：递送方法多元，LNPs 最为常用三大难点是胞外屏障、内体逃逸与胞内免疫。目前，mRNA 疫苗发展受限的一大原因是递送系统。如何特异性地将 mRNA 递送进入靶细胞需要解决三大难点：胞外屏障、内体逃逸与胞内免 疫。mRNA 疫苗只有经过这三重考验后才到达细胞内靶部位，最终发挥功 能。1）胞外屏障：第一个胞外屏障是 mRNA 分子在全身给药时易受胞外血清 中 RNA 水解酶（RNAse

36、）的降解。因此需要在递送 mRNA 时要将其包裹 在密封载体内而避免被酶水解，从而保证 mRNA 可以顺利到达靶细胞。第 二个胞外屏障是单核吞噬系统（MPS）可以识别并消除外来的纳米颗粒 （NPs），而参与吞噬过程的主要有肝和脾中的巨噬细胞，这就导致 NPs 在这两种组织中聚集，使得 mRNA 在其他组织中的转染变得困难。2）内体逃逸：当到达靶细胞时，携带 mRNA 的载体通过内吞的方式进入 细胞质，这也是最常见的载体进入细胞内的方式。内体逃逸是指 mRNA 需 要从内体小泡中释放出来，进而跟宿主细胞核糖体结合被翻译成抗原蛋白， 抗原蛋白经过修饰后被分泌出细胞从而发挥作用。在内体小泡中，mRN

37、A 能够被 Toll 样受体（Toll-like receptors，TLRs）检测到并被送去降解，因 此内体逃逸对于 mRNA 到达核糖体至关重要。3）胞内免疫：当外来 mRNA 被递送到细胞质中时，能够被 TLR3 和 TLR7/8 识别，或者通过激活细胞质中的维甲酸诱导基因 I 样受体（RIG-Ilike receptors，RLRs）从而激活天然免疫系统。同时，外来的 mRNA 还 可以通过激活 TLRs 诱导干扰素（IFN）-和 IFN-等 I 型干扰素等促炎 细胞因子的表达。所以，合成的 mRNA 疫苗可以通过激活不同的细胞因子 来促进 mRNA 免疫后的细胞或者体液反应，从而作为

38、良好的自佐剂。但是 胞内免疫也会限制 mRNA 发挥作用，TLR 家族中的模式识别受体 （pattern recognition receptors，PRRs）、RLRs 和 NOD 样受体（NODlike receptors，NLRs）能够特异性检测双链 mRNA（ssRNA）或者单链 mRNA（dsRNA），并且能够在它们转化为有治疗作用的蛋白质之前使其 降解。递送方法较为多元，脂质体优势突出递送 mRNA 疫苗的手段有物理方法、病毒载体方法和非病毒载体方法。1） 物理方法：电穿孔和基因枪是物理手段递送 mRNA 的经典方法，但是临床 实验证明物理方法通常对细胞有害，不适合在体内应用；2）

39、病毒载体方法： 虽然慢病毒、腺相关病毒与仙台病毒等载体可以进行核酸递送，但由于存 在安全性、稳定性以及有效性等诸多方面的问题，病毒载体方法应用也受 到一定限制；3）非病毒载体方法：非病毒载体主要包括脂质体、树状大分 子、无机纳米粒子、阳离子细胞穿膜肽等。脂质体已成为目前递送 mRNA 最有效的非病毒载体。用于递送 mRNA 疫 苗的脂质载体主要分为以下几种：脂质体复合物（LP），脂质体聚合物 （LPR），脂质体纳米粒（LNP），阳离子纳米乳（CNE）。 脂质体及其衍生物成为近年来备受关注的 mRNA 疫苗的新型递送系统。优点有：1）脂质体作为球形囊泡可将 mRNA 包裹在内，包封率较高，保 护

40、 mRNA 免受酶降解；2）脂质体类似于细胞膜，易与受体细胞融合，递 送效率高；3）脂质体可递送不同大小片段的 mRNA；4）脂质体作为递送 载体不受宿主限制。缺点有：1）不稳定，易水解；2）在水解过程中易受 pH 值、温度、表面电荷、类脂组成等影响；3）易发生自动氧化，导致膜 的流动性降低、药物渗流，聚集沉淀后产生毒性；4）此外，纳米脂质体易 渗漏，渗漏的原因与脂质体粒径、所载药物性质和生物学稳定（如血清成 分，MPS 的吞噬作用）有关，这在很大程度上限制其作为药物载体的应用； 5）由于疫苗与载脂蛋白 E 的结合和被受体介导的肝细胞摄取，全身递送 的 mRNA-LNP 复合物主要靶向肝脏和脾

41、脏。脂质纳米粒（LNPs）是最为常用的递送系统脂质纳米粒（Lipid nano particles，LNPs）是最先进和主流的 mRNA 递送 系统，最初在 siRNA 的递送中被证明是安全有效的。LNPs 通常由可电离 的阳离子脂质、聚乙二醇（PEG）、胆固醇和磷脂四种成分组成，其中可 电离的阳离子脂质具有较高的专利壁垒。除了保护 mRNA 外，LNPs 还可 以促进细胞摄取、提高内体逃逸，保护 mRNA 分子不被 TLRs 识别，避免先天免疫系统的过度激活的作用。具体成分及功能是：1）可电离的阳离子 脂质，可以结合带负电 mRNA、增强内体逃逸。在生产原液时，将 mRNA 与可电离阳离子脂

42、质在特定的 pH 环境下混合在一起，带负电的 mRNA 会 与阳离子脂质产生静电吸引从而融合在一起；2）与脂质相连的聚乙二醇 （PEG）及其衍生物，可以增加制剂的半衰期、减少聚集和非特异性摄取， PEG 的含量可能会影响细胞吸收；3）胆固醇有利于确保 LNPs 的双层结 构和脂质的流动性；4）天然的磷脂具有稳定 LNPs 双层结构的作用，因为 脂质体的双层结构并不稳定。LNPs 的递送机制主要是通过阳离子脂质体与带负电荷的 mRNA 结合，形 成粒径小于 200nm 的复合物，然后通过内吞的方式进入细胞。在体外实验 中，多种商业的转染试剂表现出良好的转染效果。但大多数商业试剂在体 内递送效果不

43、佳，且具有肝损伤等毒性，以及载体免疫原性等缺点而不能 用于人体。商业试剂体内活性丧失的一个根本原因在于阳离子脂质体 mRNA 复合物带有正电荷的特性，这种带正电荷的复合物在全身循环时， 能被带负电荷的血清蛋白包裹，使其被单核巨噬细胞清除。此外，LNPs 还存在过敏反应、易氧化降解、制备重现率差等问题，以 LNP 为载体制备 的 mRNA 制剂会在肝脏及脾脏聚集，难以靶向其他部位。由于 LNPs 技术目前仍存在以上的缺点，因此应用受到一定限制，行业也 正在探索脂质复合物、多聚体等新型递送载体，未来载体技术仍有巨大提 升空间。例如，BioNTech 还开发了脂质体运载（lipoplexes，LPX

44、）技术 和聚合物运载技术（polyplexes）。其中，LPX 技术可很好地稳定 RNA， 且制剂自身应有免疫佐剂的作用，该公司重要的产品均利用 LPX 平台实现 递送；国内斯微生物开发的 LPP 纳米递送平台是一种以聚合物包载 mRNA 为内核、磷脂包裹为外壳的双层结构。与传统的 LNP 相比，LPP 的双层纳 米粒具有更好的包载、保护 mRNA 的效果，并能随聚合物的降解逐步释放 mRNA 分子。新冠 mRNA疫苗均采用 LNP 递送系统，成分配方有所不同目前所有的新冠 mRNA 疫苗都以相同的 SARS-CoV-2 抗原为靶点，并包 含编码全长跨膜锚定 S 蛋白的 mRNA。三种新冠 m

45、RNA 疫苗都采用了 LNP 递送系统，其中 CureVac 处方中具体脂质成分未知，BioNTech 和 Moderna 的新冠 mRNA 疫苗使用的可电离脂质分别为 ALC-0315 和 SM102，其所用的 PEG 脂质分别为 ALC-0159 和 PEG2000-DMG。二者共同 的辅助脂质为 DSPC、胆固醇。以上三种 mRNA-LNPs 的各脂质摩尔比为 可电离脂质：磷脂：胆固醇：PEG-脂质=50:10:38.5:1.5，mRNA-脂质的 质量比为 0.05。此外，由于脂质尾部引入酯键，ALC-0315 和 SM-102 的 生物可降解性较好。研究表明在递送 mRNA 时，SM-

46、102 脂质的效果优于 Onpattro 的 MC3 LNPs，原因在于 SM-102 有更好的耐受性和更高的内吞 体逃逸效率。由此可见，脂质结构和组成的差异可能对 mRNA 的递送效率 等造成巨大的影响。PEG 脂质，可提高 LNP 在制备和储存中的稳定性， 而这些 PEG 脂质一般含有短酰基链，有助于 PEG 脂质在注射后迅速从 LNPs 中分离，促进 LNPs 与细胞的相互作用。目前，新冠 mRNA 疫苗需 要严格的储存条件，限制了它们在冷库稀缺或不可用的地方的销售。未来， 冻干或其他药物处理方法可能有助于解决这一问题，甚至可以实现鼻腔、 口腔或呼吸道给药。生产工艺：瓶颈在于原材料与规模

47、化生产mRNA 的生产主要包括上游合成和下游纯化。相比起传统疫苗，mRNA 疫 苗的优势之一就是相对简单的生产过程。目前，暂无完善的 mRNA 疫苗生 产制造平台，mRNA 的制造主要分为上游 mRNA 的酶促反应合成和下游 mRNA 产物的纯化，随后是 LNP 的包封，最后一步是制剂的灌装。上游合成：体外转录酶促反应（in vitro transcription enzymatic reaction, IVT）是以 DNA 为模版，并依赖 RNA 聚合酶催化生成目标 mRNA 的过程。 DNA 模版需要提前制备，通常使用纯化的质粒进行线性化或者使用 PCR 技术扩增目标片段。除了线性 DNA

48、 模版外，IVT 成分还需要包含 RNA 聚 合酶、NTPs 底物、聚合酶辅因子或 MgCl2 以及 pH 缓冲液。与复杂且耗 时的传统疫苗生产过程相比，IVT 酶促反应过程仅需几个小时即可完成， 由于生产时间的大大缩减，相应生产过程中的污染风险也被降低。一般来 说，该反应的每毫升可以收获毫克级别的 mRNA。mRNA 的加帽分为一步法和两步法。一步法是指在 IVT 酶促反应过程中， 用帽子类似代替物 GTP 底物进行加帽，加帽效率约为 60-80%；两步法是 指在 IVT 酶促反应生成 mRNA 后，利用 VCC 和甲基供体作为底物再对 mRNA 进行加帽，加帽效率约为 100%。两步法的加

49、帽效率更高，但一步 法由于不涉及第二步的酶促反应，因此速度更快。下游纯化：mRNA 在由 IVT 生产出来之后，需要进行纯化来去除杂质，从而达到临床纯净的标准。生产出来的产品中不仅包含目标 mRNA，还包含 有很多杂质，如：酶、残留的 NTP 和 DNA 模板以及在 IVT 过程中形成的 异常 mRNA，因此需要进一步纯化，在纯化阶段所使用的几种方法都有一 定缺陷，如不能有效去除 RNA 片段或 dsDNA 等。杂质的去除非常重要， 因为杂质会降低翻译效率以及改变免疫原性等。目前常见的纯化的方法有 SEC （Size Exclusion Chromatography），IPC （Ion Pair reverse-phase Chromatography），IEC （Ion Exchange Chromatography）等。连