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mRNA药物专栏丨mRNA不止于斯

2021

06/13

精准医学资讯网

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深度解析mRNA生物医药的发展情况。

mRNA领域系列文章从mRNA的本质，开发难点，应用领域，生产平台和市场分析，深度解析mRNA生物医药的发展情况。

mRNA的应用趋势

mRNA疗法的应用领域广泛，根据mRNA疗法不同应用将其市场分为：传染病疫苗市场、肿瘤免疫治疗相关市场、单抗药物替代市场、其他蛋白类药物替代市场。目前进展最快、应用最多的是感染性疾病的预防性疫苗，以及作为辅助疗法的肿瘤免疫治疗。2021年3月10日，通过测算以上四个应用方向到2025年的市场规模，mRNA疗法在2025年的市场规模合计约为215亿美元（不计新冠疫苗）。

对于mRNA在肿瘤治疗性疫苗上的应用 ，计算机预测算法以及测序是基础，肿瘤新生抗原的预测，决定了肿瘤疫苗的疗效，需要算法、测序与质谱组合，并且这也是未来精准个性化治疗的发展方向。

mRNA在蛋白补充疗法中展现了良好的前景 ，在皮肤、眼睛、心血管等局部注射mRNA，治疗局部疾病，获得了良好的效果，且安全性好，具有良好的前景。

mRNA疗法整体工艺简单，研发速度快，稳定性高。 由于IVT mRNA是在无细胞体系中生产的，因此临床级mRNA的工艺开发和生产可以轻易地建立标准化体系。

mRNA作为一门新兴行业，专利对于企业的未来发展至关重要。Moderna，BioNtech和CureVAC三巨头通过大力研发投入、建立人才梯队，专利布局已基本相对完善，且全球专利网已初具规模，递送系统、核酸序列设计与结构改造、酶的改进是mRNA专利布局的重点。

mRNA作为一种全新的技术路线，仍有很多可以改进的地方，以及很多基础理论、机理等需要探究。

中心法则

中心法则： DNA是细胞核内存储生命活动信息的基本单元,mRNA由DNA转录得到，直接指导蛋白质翻译，是行使生命活动的直接指令单元，而蛋白质是行使生命活动功能的主要单元，由mRNA翻译而来。

各种药物异同及优势

靶点作用位置

药物优劣对比

mRNA发展历史

mRNA两大作用

体外转录的mRNA递送到人体之后，主要产生两方面的作用：

抗原递呈作用： 相较于蛋白质相关疫苗而言，胞质内少量mRNA分子就可以实现抗原递呈到CTL细胞，而蛋白质只能依赖效率较低的交联提呈途径；机体可以通过mRNA可持续地获得抗原，在抗体广度和亲和力方面显著优于蛋白质相关疫苗，带来更持久的保护。此外，mRNA相较蛋白质可递呈抗原种类更丰富，mRNA能编码全长蛋白质，因此可避免病人MHC半抗原限制。同时，通过串联结构设计可以将多种抗原表型组装在一条mRNA链中。

自佐剂作用： 内体中的mRNA还会被多种模式识别受体(PRR)识别，促进I型干扰素(IFN-I)和其他促炎细胞因子(如IL-6和TNF-α)的产生。IFN-I 对mRNA的影响具有两面性

数据来源：Nature

核酸药物引领生物医药第三次革命

2017年后，生物医药产业第三次革命-核酸药物开始初露峥嵘，核酸药物相关公司市值进入快速增长期，mRNA疗法成为核酸药物中明星。

核酸药物种类多，核酸药物以ASO、RNAi和mRNA药物最为成功 ，目前这三类药物均已有相关产品上市，商业化最为成功的药物是 Spinraza，截至2019年底销售额已累计超过47亿美元。

mRNA药物在疫情前已经备受市场关注，领先的三家代表公司 Moderna、BioNtech和CureVac均已上市，累计募集资金28亿美金。Moderna更是在2018年创下生物技术公司IPO最高纪录，当时市值就达到了76亿美金。本次新冠疫情更是彰显了mRNA药物的巨大优势，Moderna，BioNtech和CureVac股价都得到了极大的上涨。

随着mRNA疫苗的获批，mRNA药物进入蓬勃发展期。

资本市场对于mRNA药物之前主要的质疑为未有产品上市，成药性有待检验，在本次新冠疫情中，mRNA疫苗彰显了巨大优势和平台化能力，打破了诸多质疑。

肿瘤是RNA疗法的主要开发方向，mRNA候选药物中肿瘤类项目占45%，且 根据蛋白功能的不同区分，mRNA药物的主要用途：

（1）蛋白替换疗法，将人体变成自身蛋白加工厂；

（2）肿瘤免疫，激活免疫系统或去除免疫抑制，如细胞因子和抗体；

（3）传染病及个性化肿瘤疫苗，帮助人体识别外来病毒或肿瘤新生抗原；

（4）基因编辑技术，未来对于mRNA药物研究的核心不在于验证疫苗市场的大小，而在于理顺mRNA可以在哪些治疗领域真正发挥作用，是否能够撑起市场目前给的期望。

mRNA药物，并没有那么简单

一、改 善mRNA稳定性和翻译水平：

mRNA的稳定性与递送效率一直是制约因素

细胞外存在大量RNase可以将大部分进入体内的mRNA降解，只有小部分mRNA可以逃脱RNase进入细胞内。因此，mRNA要想成药，需要有一定的递送系统包被。 进入细胞内的mRNA翻译效率是另一个制约其成药性的问题 。

提高mRNA稳定性及翻译效率是mRNA走向临床应用必须要跨越的障碍。目前，提高了mRNA的稳定性和翻译效率，主要通过mRNA结构化学优化以及递送系统的优化。

mRNA代谢路径与其进入细胞的方式有关，传统胞饮或者脂嗜的内吞路径与内吞体代谢相关，因此如何提升内吞体逃逸效率是传统mRNA提送一大难题。

mRNA的分子设计优化

1、 5'帽子尤为重要：

Cap的生物学功能: 核转运、 RNA剪切、 RNA分子的生命周期调控、脱帽

mRNA翻译效率需要其具备一个功能完备的5’帽结构。 5’帽结构可以与翻译起始因子4E（EIF4E）结合对于mRNA的高效翻译至关重要，也可以与脱帽复合物DCP1 / DCP2结合调节mRNA的降解。

真核细胞自然产生的mRNA的5’帽由5'，5'-三磷酸酯桥（PPP）将7-甲基鸟嘌呤（m7G）连接到mRNA上，即m7GpppN结构。

2、帽子类似物的发现

3、3'Poly（A）尾巴改进可延长半衰期

腺苷酸酶使用两个活性位点金属离子切割末端腺苷，添加末端反向脱氧胸苷会改变尾巴的几何形状。

添加末端反向脱氧胸苷可使半衰期延长2X以上。

4、密码子简并是mRNA设计所需要考虑的

5、序列优化二级结构，提高mRNA稳定性

通过序列设计，可以通过在二级结构上形成双链结构，降低mRNA吉布斯自由能，提高稳定性。

二、调节mRNA免疫刺激性

在免疫细胞中，IVT mRNA与病毒RNA同样可以被内体中的Toll样受体（TLR3、TLR7、TLR8）识别，从而引发促炎因子（如干扰素）的分泌。TLR3识别dsRNA，TLR7和TLR8识别ssRNA。其中富含U的RNA序列是免疫原性的最大来源，可以通过TLR7途径最大程度诱发干扰素的分泌。

在非免疫细胞中，IVT mRNA主要被细胞质中的RNA感受器（如维甲酸诱导基因I (RIG-I)和黑色素瘤分化相关蛋白5（MDA5））识别，从而诱发促炎因子的产生。这些促炎因子的产生不仅会激活免疫反应、引起炎症反应。

免疫激活对于mRNA最终的疗效的影响是一个掌控平衡的过程，尤其是IFN的释放时间的把握。

对于mRNA免疫机理尚有诸多不明之处，对机理的研究仍是长期重点：

1、不同免疫与非免疫细胞对于裸mRNA和载体包被的mRNA的内化机制，尤其是与清道夫受体的关系还有待研究。

2、不同注射方式对于mRNA免疫反应的机制仍不清晰。

3、mRNA摄取对于以温度、剂量以及流体压力的依赖性尚需研究。

4、mRNA对于不同类型DC细胞以及DC细胞成熟的影响仍有待研究。

5、长链mRNA（如自复制型mRNA）长度与结构所引起的免疫反应。

核苷酸修饰是改善免疫原性的法宝：

m5C和ψ关注度最高，研究显示m5C和ψ可以在体内及体外降低mRNA的免疫原性且提高翻译效率。

除了核苷酸修饰，研究发现polyA尾的长度增加及减少U含量也可以降低IVT mRNA的免疫原性。

此外，除了在序列设计时进行核苷酸修饰以及密码子优化，下游的纯化工艺对降低免疫原性的作用也不可忽视。

三、mRNA的体内递送仍有许多障碍

mRNA进入体内后，仍有诸多障碍需要克服体内无处不在的各种Rnase会降解mRNA，mRNA要想发挥作用，必须能够避免Rnase的降解。若无递送系统包被，静脉给药后，mRNA需要避免被肾小球过滤清除，同时也要避免与血浆蛋白结合。mRNA药物进行全身给药，在到达靶器官的胞外基质时，mRNA及其载体，需要能够穿过纤维网络和糖链，才能接触细胞膜。同时，毛细血管内皮网的存在，使得粒径大于5nm的分子很难直接穿过。mRNA一般主要通过穴样内陷/脂筏等内化途径，或经过内体降解途径，如何提高内体逃逸是目前学界/工业界面临的主要问题。

mRNA的递送一般需要载体系统支持，对于递送系统一般有以下要求：

1，需要在低毒性的前提下，以高效率的方式将mRNA包封并转运到其作用位置(即脾脏、淋巴结或抗原呈递细胞) 。

2，快速的组织清除、潜在的佐剂活性、胶体稳定性。

3，制备过程的可开发性，确保 mRNA 药物产品可扩展性、稳定性和低成本。

目前， 较为成熟的mRNA载体系统主要为：阳离子多肽、鱼精蛋白、脂质体LNP、脂质纳米复合物。

阳离子多肽，鱼精蛋白，因其高阳离子密度已经被用来凝聚mRNA，在激活MyD88通路后在动物体内可诱导保护性免疫。然而，mRNA-鱼精蛋白粒子表现出有限的蛋白表达水平，可能是由于两种多电解质之间的强结合亲和性。

多聚体载体技术在临床上的应用并没有脂质体类载体广泛，主要因素是潜在的毒性、胶体不稳定性、相对较差的转染效率和高聚合分散性(粒子大小范围广)。

所以载体系统大多采用LNP或脂质复合物, LNP是目前主流递送系统.

对于LNP系统，我们认为主要需考虑四个方面 ：

阳离子脂质的筛选、组分的免疫原性及代谢安全性、脂质饱和度、组分及粒径均一度。

LNP技术已经数十年，专利成为主要卡脖子点， mRNA三巨头的LNP技术均来自Arbutus，但仍存在专利争议。

Arbutus是LNP技术的开山鼻祖，其将LNP技术（专利号US8058069）部分转移给加拿大公司Acuitas，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；Acuitas随后将LNP全部技术违规地转移给Moderna以及CureVac。

Arbutus在2017年终止了Acuitas继续使用和二次授权 LNP 技术的权益；并于2018年与Riovant公司共同成立了Genevant，并将LNP技术权益转移给Genevant。

Moderna 之前获得授权的 4 个产品仍然保留了使用权并向 Genevant 支付费用；CureVac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。

LNP自主研发之路艰难。 Arbutus和Roivant成立的Genevant合作拥有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。新冠疫情相关产品可不受专利限制。

Moderna2018年开始挑战Arbutus的LNP专利，包括当年授权给Acuitas的US8058069，但是该专利挑战失败。Moderna也开始研发自己的LNP技术，但 Arbutus 指出，根据 Moderna 所发表的文献、报告和专利分析，Moderna 很难在不依靠 Arbutus 专利的情况下，开发出有效的脂质体递送技术。