醫(yī)藥生物行業(yè)專題報告：mRNA技術(shù)有望迎來黃金十年（附下載）

Tomxiao1961 2022-05-20 發(fā)布于廣東

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mRNA 技術(shù)：通用型技術(shù)平臺，正處于快速發(fā)展期

基礎(chǔ)概念：mRNA 是什么？

mRNA 通過“翻譯”指導蛋白質(zhì)的生產(chǎn)。mRNA（信使核糖核酸）是由 DNA 模板轉(zhuǎn)錄而來，攜帶遺傳信息，指導細胞生產(chǎn)胞內(nèi)蛋白、膜蛋白及胞外蛋白。以 mRNA 疫苗為例，核心原理就是將編碼抗原的 mRNA 通過不同的遞送方式遞送到人體細胞內(nèi)，在細胞內(nèi)翻譯后產(chǎn)生相應的抗原蛋白，從而有效激起細胞免疫和體液免疫。

mRNA 因其技術(shù)優(yōu)勢可廣泛應用于預防疫苗、治療疫苗、治療藥物等諸多領(lǐng)域。mRNA 理論上能夠表達任何蛋白質(zhì)，可以防治多種疾病，因此 mRNA 可以作為一種極具潛力的通用技術(shù)平臺。目前 mRNA 可應用于傳染病預防、腫瘤免疫治療、蛋白替代、CAR-T、基因編輯等，總體可分為三大類：預防疫苗、治療疫苗、治療藥物。其中預防疫苗領(lǐng)域的布局最豐富，其次是治療藥物領(lǐng)域。

mRNA 疫苗具有研發(fā)周期短、生產(chǎn)工藝簡單、有效性高等優(yōu)勢。與傳統(tǒng) 的滅活/減毒疫苗、亞單位疫苗和基因工程疫苗相比，mRNA 疫苗具有如下優(yōu)點：研發(fā)周期短；生產(chǎn)工藝簡單、擴產(chǎn)容易；無需佐劑、有效性高；不進入細胞核、安全性較好等。與 DNA 疫苗相比，不進入細胞核、安全性較好，并且起效更快、效果更強。

發(fā)展歷程：分子修飾、遞送等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破，商業(yè)化時代開啟

mRNA 從發(fā)現(xiàn)到作為商品首次上市大概經(jīng)歷了 60 年時間，技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷以下幾個階段：

1961-1990 年：mRNA 從理論照進現(xiàn)實。從 1961 年 mRNA 的發(fā)現(xiàn)，到 1990 年全球首次發(fā)表小鼠體內(nèi)體外轉(zhuǎn)錄 mRNA 的報告，明確了 mRNA 的具體機制和作用以及其作為“指揮官“的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1990-2009 年：分子修飾等關(guān)鍵技術(shù)使得人體應用成為可能。從上世紀 90 年代到 2009 年，為實現(xiàn)從動物到人體的突破，mRNA 技術(shù)處于不斷突破階段，2005 年發(fā)現(xiàn)化學修飾可降低 mRNA 免疫原性，2009 年首次在人體上應用癌癥免疫治療。

2009-2020 年：遞送技術(shù)的進展推動人體臨床大規(guī)模開展。2009 年 LNP 遞送系統(tǒng)首次申請專利，2010 年全球 mRNA 領(lǐng)導者 Moderna 成立， 2015 年首個 LNP 遞送的 mRNA 疫苗進入臨床，2015-2019 年 LNP 遞送技術(shù)以及序列修飾技術(shù)的逐漸成熟給 mRNA 行業(yè)發(fā)展帶來充足的動力，多項 mRNA 疫苗開展臨床。

2020 年-至今：商業(yè)化時代正式開啟。2020 年全球首個 mRNA 商業(yè)化產(chǎn)品 mRNA-1273 上市，迅速得到資本市場的追捧。我國的 mRNA 技術(shù)行業(yè)也于此開始蓬勃發(fā)展，隨著前期的技術(shù)積累逐漸成熟以及資本市場的助力，mRNA 技術(shù)將進入快速發(fā)展的黃金十年。

市場規(guī)模：預計 2035 年 mRNA 領(lǐng)域市場有望達 230 億美元

根據(jù) PubMed 預計，2035 年 mRNA 市場總體規(guī)模 230 億美金，其中非新冠產(chǎn)品有望達到 180 億美金，2025-2035 GAGR 68%

預防疫苗：2035 年市場規(guī)模達到 120-150 億美元。1）新冠疫苗 2021年570億美金左右（輝瑞/BioNTech/復星400億美金 Moderna 170 億美金，由于加強針接種和降價趨勢，預計 2035 年新冠疫苗貢獻 50 億美金左右。2）其他疫苗，預計 2024-25 年開始進入市場銷售，隨著市場的開拓和放量，假設平均每個在研管線的銷售峰值為 8 億美金，預計 2035 年銷售額達到 70-100 億美金。

治療疫苗：2035 年市場規(guī)模達到 70-100 億美金。假設個性化腫瘤疫苗的銷售峰值為 50 億美金，單一腫瘤疫苗的銷售峰值為 13 億美金。

治療藥物：2035 年市場規(guī)模達到 40-50 億美金。假設腫瘤、呼吸系統(tǒng)、罕見病等管線的銷售峰值分別為 11 億美金、18 億美金、5 億美金。

關(guān)鍵壁壘：遞送系統(tǒng)、序列優(yōu)化、生產(chǎn)工藝

以 mRNA 疫苗為例，生產(chǎn)過程中主要涉及到分子結(jié)構(gòu)設計、遞送系統(tǒng)的優(yōu)化、生產(chǎn)工藝放大等諸多環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有一些技術(shù)壁壘或者工藝難點需要解決。由于 mRNA 分子的脆弱性，目前尚未完全實現(xiàn)裸露 mRNA 藥物注射進人體內(nèi)從而發(fā)揮作用，因此找到合適的遞送系統(tǒng)便成為最關(guān)鍵的部分，也是一家企業(yè)的技術(shù)實力和壁壘體現(xiàn)。另外，找到合適的遞送系統(tǒng)后，如何讓 mRNA 的翻譯效率最高需要考驗企業(yè)的序列優(yōu) 化水平，同時能夠?qū)嶒炇抑性嚬に嚪糯蟛⒎€(wěn)定生產(chǎn)需要企業(yè)摸索具體工藝參數(shù)，形成穩(wěn)定的供貨體系。

遞送系統(tǒng)：專利保護和工藝參數(shù)鑄就遞送系統(tǒng)的高壁壘

mRNA 的脆弱性使得遞送成為關(guān)鍵。mRNA 指導細胞生產(chǎn)自身所需蛋白質(zhì)，靶點可在細胞內(nèi)或分泌到細胞外，因此理論上可將編碼相應蛋白質(zhì) 的 mRNA 通過一定手段運送到細胞質(zhì)內(nèi)，從而對所有蛋白質(zhì)層面疾病發(fā) 揮療效。但是由于其大小、電荷和可降解性，裸露的 mRNA 不容易穿過細胞膜并有效地滲入細胞質(zhì)，因此如何將 mRNA 遞送至細胞質(zhì)中并及時指導蛋白質(zhì)生產(chǎn)將成為核心。目前 mRNA 遞送主要面臨 3 個難點如胞外屏障、內(nèi)體逃逸、胞內(nèi)免疫，一個優(yōu)異的遞送系統(tǒng)需要解決以上 3 個難點。

目前 mRNA 的遞送系統(tǒng)以 LNP 為主，不同分子及構(gòu)成比例是各家 LNP 系統(tǒng)的主要差異所在。目前已有脂質(zhì)/類脂、聚合物、多肽、蛋白質(zhì)、胞外囊泡等材料用于遞送系統(tǒng)，其中脂質(zhì)/類脂、聚合物等最為常見。進入臨床的遞送系統(tǒng)主要有脂質(zhì)體、脂質(zhì)納米顆粒（LNP）、脂質(zhì)復合物、脂質(zhì)多聚復合物（LPP），其中LNP最為常見。如國際上 Moderna、BioNTech、 CureVac 以及國內(nèi)除斯微生物的多數(shù) mRNA 公司的遞送系統(tǒng)均使用 LNP。LNP 主要由陽離子脂質(zhì)、中性脂質(zhì)、PEG 修飾脂質(zhì)、膽固醇等構(gòu)成，不同分子及構(gòu)成比例是各家 LNP 系統(tǒng)的主要差異所在。（報告來源：報告研究所）

如何繞過專利壁壘并形成穩(wěn)定的工藝參數(shù)成為企業(yè)亟待解決的問題。

1）專利壁壘：盡管 BioNTech 和 Moderna 的 mRNA 疫苗都使用了 LNP 遞送系統(tǒng)，但是 2 家公司或多或少面臨著專利糾紛。目前 Arbutus 具有 LNP 遞送系統(tǒng)的專利所有權(quán)（US8058069B2），其專利范圍包含核酸、陽離子脂質(zhì)、非陽離子脂質(zhì)、綴合脂質(zhì)以及各成分的比例，預計 2029 年到期。

2）工藝參數(shù)：目前 LNP 遞送系統(tǒng)的組分及配方已經(jīng)公開，但是大量的工藝參數(shù)依然是商業(yè)秘密。這也就意味著即使企業(yè)知道如何使用合適比例的原材料進行 LNP 系統(tǒng)的配制，依然會面臨著工藝參數(shù) 穩(wěn)定性的問題，具體體現(xiàn)在 LNP 粒徑是否均一、雜質(zhì)是否有殘留、陽離子脂質(zhì)導致的細胞毒性、LNP 的靶向性以及如何可控地釋放包封藥物等。

3）如何破解壁壘？一方面可以選擇購買專利進行合作開發(fā)，通過技術(shù)引進的方式享受 mRNA 技術(shù)帶來的紅利。另一方面可以繞過專利形成自主知識產(chǎn)權(quán)，這也需要更多時間、資本和技術(shù)積淀，如對主流的 LNP 遞送系統(tǒng)進行局部優(yōu)化，使用降低速度更快的可離子脂質(zhì)從而解決毒性問題；另外還可以研發(fā)更好的、可替代 LNP 的其他高效遞送系統(tǒng)，如斯微生物的 LPP 系統(tǒng)、賓大某課題組的 IAJD 系統(tǒng)、張鋒團隊的 SEND 系統(tǒng)。

序列優(yōu)化：分子修飾專利高效率加帽構(gòu)成較大難度

mRNA 的基因序列一般由 5’-cap（5’端帽子）、5’ UTR（5’端非編碼區(qū)）、 ORF（編碼區(qū)）、3’ UTR（3’端非編碼區(qū)）以及 Poly(A) tail（多聚腺苷酸尾）組成。通過對 mRNA 分子序列優(yōu)化，提高 mRNA 分子穩(wěn)定性、翻譯效率、表達量、半衰期等，從而進一步增加 mRNA 疫苗/藥物的安全性和有效性。已上市銷售的兩款 mRNA 疫苗（輝瑞/BioNTech 的 BNT162b2 和 Moderna 的 mRNA-1273）均對 mRNA 分子序列、結(jié)構(gòu) 等進行了設計和優(yōu)化（如均使用假尿嘧啶（ψ）替換尿嘧啶（U）），但依然存在一些缺點以及可以優(yōu)化的環(huán)節(jié)。2021 年 6 月 CureVac 宣布其開發(fā)的 mRNA 疫苗 CVnCoV 在 2b/3 期臨床試驗中預防感染 COVID-19 僅有 47%的保護力，可能失敗的原因就包括未對編碼區(qū)的核苷酸進行修飾。

5’-cap（5’端帽子）：在真核生物中可以與翻譯起始因子 eIF4E 結(jié)合，保持 mRNA 的穩(wěn)定，提高翻譯效率，同時抑制外切核酸酶對 mRNA 的降解并抑制固有免疫反應。加帽途徑一般有兩種：共轉(zhuǎn)錄加帽、轉(zhuǎn)錄后加帽

5’ UTR（5’端非編碼區(qū)）：調(diào)控翻譯和蛋白表達，對 mRNA 的翻譯效率、半衰期、蛋白表達水平等有影響。一般可以引入 Kozak 序列或者保持短散的設計從而增強翻譯效率。

ORF（編碼區(qū)）：3 個堿基組成的密碼子可翻譯成氨基酸，之后形成肽鏈后結(jié)構(gòu)化成蛋白質(zhì)。通過密碼子的優(yōu)化（規(guī)避不常見/ 不安全組合）、核苷酸替換（使用假尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶、N6- 甲基腺苷等修飾核苷酸）等增強 mRNA 的穩(wěn)定性和翻譯效率，同時減少固有免疫反應和 mRNA 的降解。

3’ UTR（3’端非編碼區(qū)）：調(diào)控翻譯和蛋白表達，對 mRNA 的翻譯效率、半衰期、蛋白表達水平等有影響。一般可以引入穩(wěn)定元件（人類 α-珠蛋白/β-珠蛋白）來增強 mRNA 穩(wěn)定性、增強翻譯效率。

Poly(A) tail（多聚腺苷酸尾）：抑制 mRNA 脫帽和降解，尾巴長度影響翻譯效率和蛋白表達水平。一般而言，64-150-nt 長度的 Poly（A）能夠?qū)崿F(xiàn)最高水平的蛋白表達。加尾途徑一般有兩種：模板加入 Poly(A)、轉(zhuǎn)錄后 Poly(A)修飾。

分子修飾專利高效率加帽構(gòu)成較大難度。

1）分子修飾專利。分子修飾的關(guān)鍵專利所有權(quán)（US8278036B2）屬于賓大，預計 2025 年到期，其已獨家授權(quán)給一家 mRNA 療法企業(yè)，通過 2 次授權(quán)給 BioNTech 和 Moderna。該專利范圍極廣，包括 a）假尿苷；b）Poly(A)尾；c）m7GpppG 帽/3'-O-甲基-m7GpppG 帽；d）不依賴帽的翻譯增強子；e）增強翻譯的 5'和 3'非翻譯區(qū)，其中假尿苷修飾最為關(guān)鍵。目前該專利基本上都繞不開，需要購買該專利或者開發(fā)更合適的分子修飾策略，但難度極大。

2）高效率加帽。在不考慮專利壁壘的情況下，體外轉(zhuǎn)錄合成 mRNA 分子的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于如何高效率加帽。目前加帽途徑主要分為一步法（共轉(zhuǎn)錄加帽）和兩步法（轉(zhuǎn)錄后加帽）。

生產(chǎn)工藝：關(guān)鍵是將 mRNA 更好地搭載至遞送載體上

如何將 mRNA 更好地搭載至遞送載體上？在 mRNA 疫苗生產(chǎn)過程中，將含有脂質(zhì)的乙醇相和含有 mRNA 的水相混合后形成脂質(zhì)超飽和狀態(tài)，在毫秒級時間里自組裝成納米顆粒，具體過程參見附錄。最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)是將 mRNA 包裹在 LNP 中，從而形成穩(wěn)定的納米顆粒。目前可通過微流控、射流等方式實現(xiàn)這一過程，然而各家企業(yè)的生產(chǎn)秘密就在于工藝參數(shù)不盡相同，無論選擇 Y 型微流控、T 型微流控還是沖擊射流，都需要在實際生產(chǎn)過程中不斷摸索具體工藝參數(shù)，從而形成可用于規(guī)模放大的穩(wěn)定工藝體系。

純化工藝貫穿整個流程，高效的純化策略至關(guān)重要。mRNA 疫苗生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生很多雜質(zhì)，無論是在質(zhì)粒生產(chǎn)、質(zhì)粒純化與線性化過程中，還是在體外轉(zhuǎn)錄、加帽等過程中，均會涉及到多步純化與超濾，如何保證上一步工藝不影響下一步工藝尤為重要，同時在純化過程中保證 mRNA 和遞送系統(tǒng)的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。

冷凍等工藝仍需要摸索完善。除了上文提到的最關(guān)鍵的組裝工藝、純化工藝之外，在大規(guī)模生產(chǎn)中，LNP 粒徑是否均一、雜質(zhì)是否有殘留等，都需要在生產(chǎn)過程中不斷摸索完善。同時，如何在保持組分活性不下降的情況下，更便捷高效地冷凍/干燥從而保持更長時間的穩(wěn)定性也是重要的生產(chǎn)工藝課題。

產(chǎn)業(yè)鏈的核心價值量？帽子類似物、工具酶

以 mRNA 疫苗為例剖析產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)

mRNA 技術(shù)流程主要包括 mRNA 序列克隆至 DNA 質(zhì)粒、DNA 質(zhì)粒繁殖、切割出 DNA 模板、IVT（體外轉(zhuǎn)錄）合成 mRNA、mRNA 修飾、 mRNA 純化、微流控、灌裝等。根據(jù)《新型冠狀病毒預防用 mRNA 疫苗藥學研究技術(shù)指導原則（試行）》，以 mRNA 疫苗為例，將整體生產(chǎn) 流程分為 3 個階段：DNA 質(zhì)粒模板的制備、mRNA 原液的制備、制劑的生產(chǎn)。

（1）DNA質(zhì)粒制備及模板線性化：mRNA 的合成是從質(zhì)粒 DNA（pDNA）生成開始的。利用電流打破細胞膜，并將環(huán)狀的 pDNA 引入大腸桿菌進行繁殖擴增，菌體裂解后提取并純化 pDNA，利用限制性內(nèi)切酶把純化后的環(huán)狀 pDNA 切開從而形成線性化 pDNA，之后再進行純化才可放行。

（2）體外轉(zhuǎn)錄、加帽加尾、純化形成 mRNA 原液：將線性化 pDNA 模板與重組 RNA 聚合酶（T7、T3 或 SP6）和核苷酸（腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶）等多種物質(zhì)在無細胞的生物反應器內(nèi)混合，從而發(fā)生化學酶促反應生產(chǎn) mRNA，之后采取多種方式進行純化從而得到 mRNA 原液。

（3）制劑的生產(chǎn)：通過微流控設備精確地控制著 mRNA 原液和脂質(zhì)流速，將他們混合成脂質(zhì)納米顆粒。最后則是成品的灌裝及質(zhì)量控制，貼簽形成終產(chǎn)品。

價值量最大環(huán)節(jié)在于帽子類似物和工具酶

帽子類似物在 mRNA 生產(chǎn)環(huán)節(jié)價值占比最大，其次是各種工具酶。單劑 mRNA 疫苗的售價 15-20 美金，毛利率 85%左右，則生產(chǎn)成本大約 1-3 美金。其中原材料占比（41.70%-55.90%）最高，其次是設備/耗材（23.90%-31.70%）。而在原材料中，帽子類似物占比 46%、工具酶（包括 T7 RNA 聚合酶、無機焦磷酸酶、RNA 酶抑制劑）占比 29%、核苷酸/修飾核苷酸（NTP）占比 7%、DNA 模板占比 4%、LNP 四種組分占比 5%，其他原材料占比 10%。