mRNA药物专栏丨mRNA不止于斯

2021
06/13

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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, 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。
本章主要总结了mRNA的本质和优势,以及现在mRNA药物存在的瓶颈;下一章 mRNA药物系列文章(2)将会详细阐述在不同应用领域mRNA药物的研究进展和最新产品,大家敬请期待!
图片内容来源:财通证券mRNA产业行研报告


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关键词:
mRNA,LNP,疫苗,效率,细胞,疗法

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