醫(yī)藥mRNA行業(yè)深度報(bào)告：mRNA技術(shù)大有可為

醫(yī)藥mRNA行業(yè)深度報(bào)告：mRNA技術(shù)大有可為

01關(guān)鍵技術(shù)突破成就全新藥物形態(tài)

RNA在遺傳信息流中承上啟下

DNA：遺傳信息的儲(chǔ)存和讀取，其功能主要依賴于一級(jí)結(jié)構(gòu)（4種堿基排列組合而成的一維序列），二級(jí)結(jié)構(gòu)（雙螺旋）和高級(jí)結(jié)構(gòu)（超螺旋/染色體結(jié)構(gòu)）主要維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

蛋白質(zhì)：具有生物化學(xué)功能的活性物質(zhì)，一級(jí)結(jié)構(gòu)（20種氨基酸排列組合而成的一維序列）和高級(jí)結(jié)構(gòu)共同決定功能；

RNA：連接遺傳信息和功能蛋白的橋梁，兼具信息（攜帶遺傳信息）和功能（編碼RNA轉(zhuǎn)錄/非編碼RNA調(diào)控）特征，是一類全新的藥物形態(tài)。

①序列優(yōu)化：提高mRNA翻譯性能

非翻譯區(qū)（UTR）：mRNA編碼區(qū)上游（5’UTR）和下游（3’UTR）序列，供核糖體識(shí)別、結(jié)合、起始翻譯的位點(diǎn)；

5’UTR：通常在篩選天然存在的穩(wěn)定/高表達(dá)序列，例如BioNTech改造了來自人α-珠蛋白血紅蛋白A1（HBA1）和血紅蛋白A2（HBA2）的上游編碼區(qū)。

3’UTR：通常與mRNA穩(wěn)定性有關(guān)，同時(shí)存在microRNA結(jié)合位點(diǎn)可能造成抑制翻譯/RNA降解，與5’UTR類似選取天然存在的序列進(jìn)行一定修飾，例如BioNTech使用了人源AES/TLE5的3’UTR片段并引入兩個(gè)點(diǎn)突變。

編碼區(qū)（CDS）

密碼子（codon）：提升mRNA翻譯效率，通常用同義的頻繁密碼子和在靶細(xì)胞內(nèi)tRNA豐度更高的密碼子取代稀有密碼子；

mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)：強(qiáng)化核糖體對(duì)序列首個(gè)AUG的識(shí)別，減少掃描遺漏（leakyscanning），避免復(fù)雜二級(jí)結(jié)構(gòu)阻礙核糖體進(jìn)入等；

終止密碼子：在編碼區(qū)末端串聯(lián)多個(gè)終止密碼子，確保翻譯在正確位置終止，如BioNTech設(shè)計(jì)了2xTGA，Moderna使用了“TGA+TAA+TAG”；

蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)：優(yōu)化目標(biāo)蛋白氨基酸序列，使其能夠高效折疊或形成特定結(jié)構(gòu)，如BioNTech和Moderna都采用了S-2p的Furin酶切位點(diǎn)突變?cè)O(shè)計(jì)。

②分子修飾：提升mRNA穩(wěn)定性

加帽（5’Cap）：真核生物mRNA在5’端有一個(gè)由三磷酸橋接的7-甲基鳥苷(m7G)帽，能夠影響核糖體等翻譯元件招募，從而調(diào)控翻譯效率；免疫系統(tǒng)（innateimmunesensors）對(duì)不同Cap結(jié)構(gòu)識(shí)別不同，從而改善mRNA穩(wěn)定性。目前IVT（體外轉(zhuǎn)錄）生產(chǎn)的mRNA是無帽的5’三磷酸化RNA，通常用帽結(jié)構(gòu)類似物共轉(zhuǎn)錄加帽或單獨(dú)使用加帽酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后加帽。

Poly-A尾巴：減慢RNA核酸外切酶的降解過程，增加穩(wěn)定性，延長體內(nèi)半衰期并提高mRNA的翻譯效率。

核苷修飾：人體對(duì)外源mRNA的免疫應(yīng)答主要和尿苷（部分由尿嘧啶組成）有關(guān)，免疫系統(tǒng)會(huì)將未修飾過的單鏈RNA識(shí)別為病毒感染的標(biāo)志，激活Toll樣受體（TLR3/7/8）和RIG-I受體通路從而阻斷mRNA翻譯。Moderna和BioNTech都利用假尿嘧啶(Ψ)替代尿嘧啶能夠減少免疫系統(tǒng)對(duì)mRNA的識(shí)別（CureVac用序列優(yōu)化的方式減少尿嘧啶數(shù)量）。

③mRNA合成工藝包括體外轉(zhuǎn)錄和純化

體外轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，dNTP（脫氧核苷三磷酸）為原料，通過T7/SP6/T3RNA聚合酶（polymerase）進(jìn)行體外轉(zhuǎn)錄(IVT)合成mRNA。通過一步法加帽，在IVT合成體系中加入GTP（三磷酸鳥苷），利用帽子（5’cap）作為合成起始點(diǎn)；或兩步法加入牛痘加帽酶（VCE）分步進(jìn)行加帽。

mRNA純化：終產(chǎn)物中包含模板DNA、酶、短終止的RNA和dsRNA，其中痕量的dsRNA會(huì)引起較強(qiáng)的固有免疫反應(yīng)（innateimmunity）影響疫苗的效力，并且分子量與全長ssRNA相似，通常使用切向流過濾和柱層析結(jié)合的方式去除。

④遞送系統(tǒng)：在脂質(zhì)體基礎(chǔ)上不斷改良工藝

mRNA在體內(nèi)穩(wěn)定性差，容易被RNase降解，序列優(yōu)化、堿基修飾以及加帽/尾對(duì)降解的保護(hù)有限。同時(shí)，外源核酸片段只有進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才能翻譯成蛋白質(zhì)發(fā)揮功能，因此急需高效的遞送手段。嘗試了nakedmRNA、慢病毒（Lentivirus）為代表的的病毒載體、樹突細(xì)胞（DendriticCell）為代表的的細(xì)胞載體、聚乙烯亞胺（PEI）為代表的高分子聚合物、魚精蛋白（Protamine）為代表的蛋白質(zhì)載體后，業(yè)界逐漸將目光聚焦于脂質(zhì)體遞送系統(tǒng)。2018年FDA批準(zhǔn)首個(gè)LNP遞送的siRNA藥物Onpattro（商品名Patisiran），2020年P(guān)fizer/BioNTech和Moderna的兩款應(yīng)用LNP遞送系統(tǒng)的新冠mRNA疫苗上市。

⑤mRNA-LNP封裝是大規(guī)模生產(chǎn)瓶頸之一

mRNA-LNP的制劑工藝在實(shí)驗(yàn)室（microfluid）和工業(yè)生產(chǎn)（T-junctionmixing）場景相似，其基本原理均為溶解在乙醇中的脂類與溶解在水相中的mRNA溶液快速混合后，在壓強(qiáng)和pH值變化中mRNA分子和可電離脂質(zhì)自組裝形成納米顆粒。在這一過程中可以通過控制水相和脂相流速、mRNA與脂類比例、PEG-lipid含量等條件從而改變終產(chǎn)物的形態(tài)和大小。

小結(jié)：多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破成就全新藥物形態(tài)

RNA作為一類全新藥物形態(tài)的設(shè)想始于1990s，最初的十余年里，mRNA被認(rèn)為過于不穩(wěn)定且高純度體外合成成本高昂，大企業(yè)大多淺嘗輒止（Merck短暫評(píng)估m(xù)RNA流感疫苗后轉(zhuǎn)投DNA疫苗和其他載體介導(dǎo)的遞送系統(tǒng)）。隨著序列優(yōu)化、分子修飾、體外RNA合成、遞送系統(tǒng)和脂質(zhì)體封裝等關(guān)鍵技術(shù)逐步突破，以兩款新冠mRNA疫苗獲批為標(biāo)志，mRNA藥物正式走向臺(tái)前。同時(shí)，圍繞著這些關(guān)鍵技術(shù)也形成了相應(yīng)的專利和工藝技術(shù)壁壘。

02mRNA療法應(yīng)用場景豐富

預(yù)防性mRNA疫苗：更快、更強(qiáng)

研發(fā)生產(chǎn)更快：傳統(tǒng)疫苗依靠細(xì)胞培養(yǎng)（雞胚或哺乳動(dòng)物細(xì)胞），研發(fā)和生產(chǎn)過程復(fù)雜，通常可長達(dá)數(shù)月；mRNA疫苗根據(jù)病毒序列設(shè)計(jì)優(yōu)化，由DNA模板體外合成，研發(fā)和生產(chǎn)更快，例如Moderna的新冠mRNA疫苗從獲得病毒到生產(chǎn)出臨床樣品僅需42天，經(jīng)過優(yōu)化后Pfizer/BioNTech的生產(chǎn)流程可以控制在一周以內(nèi)。

免疫原性更強(qiáng)：mRNA疫苗在人體自身細(xì)胞內(nèi)直接表達(dá)抗原蛋白，胞內(nèi)和分泌蛋白分別通過組織相容性抗原復(fù)合物（MHC）I型和II型分子呈遞，同時(shí)激活CD8+和CD4+T細(xì)胞，通過激活細(xì)胞毒性T細(xì)胞分泌細(xì)胞因子、B細(xì)胞產(chǎn)生中和抗體以及激活吞噬細(xì)胞等方式清除病原體。同時(shí)，mRNA和LNP脂類也能通過“自佐劑”效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)免疫原性，從而提升疫苗的保護(hù)效力。

mRNA可應(yīng)用多種腫瘤免疫機(jī)制

抗原呈遞：通用型TAA（腫瘤相關(guān)抗原）/TSA（腫瘤特異性抗原），個(gè)性化neo-antigen（新抗原）；

免疫增強(qiáng)：Toll樣受體激動(dòng)劑/佐劑效應(yīng)；

細(xì)胞因子：表達(dá)細(xì)胞因子/趨化因子等，誘導(dǎo)APC成熟從而激活T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫，同時(shí)改善腫瘤微環(huán)境，將“冷”腫瘤變“熱”；

抗原受體：表達(dá)CAR/TCR等淋巴細(xì)胞表面抗原受體。

抗體和蛋白替代療法

mRNA介導(dǎo)的抗體和蛋白替代：個(gè)體細(xì)胞直接作為生物反應(yīng)器治療用蛋白藥物大多采用原核（大腸桿菌）/真核（昆蟲/哺乳動(dòng)物細(xì)胞）細(xì)胞表達(dá)，為保證蛋白質(zhì)的正確空間構(gòu)象和翻譯后修飾以及提高表達(dá)效率，對(duì)于單個(gè)藥物需要較多前期序列優(yōu)化，以及后期復(fù)雜的修飾和純化流程。相比之下，將編碼蛋白質(zhì)藥物的遺傳信息直接遞送，用個(gè)體細(xì)胞作為反應(yīng)器進(jìn)行原位表達(dá)則可以加速成藥流程。

03市場空間廣闊，海內(nèi)外群雄逐鹿

新冠mRNA疫苗商業(yè)化加速

Pfizer：和BioNTech合作研發(fā)的新冠mRNA疫苗BNT162b2Q2單季度銷售額達(dá)到78.78億美元，2021H1銷售額113億美元，預(yù)計(jì)今年將分發(fā)21億劑，全年銷售指引從260億美元上調(diào)到335億美元。

Moderna：新冠mRNA疫苗mRNA-1273Q2單季度產(chǎn)量達(dá)到~2億劑，全球銷售額達(dá)到41.97億美元，2021H1銷售額59.3億美元，預(yù)計(jì)今年將分發(fā)8-10億劑，全年銷售指引維持200億美元；2022-2023年在手訂單~120億美元，可選擇訂單~80億美元。

mRNA藥物潛在市場空間廣闊

假設(shè)條件：1）新冠mRNA疫苗：短期貢獻(xiàn)大量業(yè)績（首輪免疫）后緩慢下降至較低的穩(wěn)態(tài)水平（加強(qiáng)免疫）；2）其他傳染病疫苗：布局流感疫苗以及RSV等尚無商業(yè)化產(chǎn)品領(lǐng)域，假設(shè)遠(yuǎn)期mRNA疫苗占比達(dá)到20%；3）腫瘤免疫：以免疫檢查點(diǎn)抑制劑和CAR-T細(xì)胞療法為代表的腫瘤免疫療法占全部腫瘤藥物市場比例約20%，mRNA提供全新治療機(jī)制，可作為現(xiàn)有療法的補(bǔ)充和拓展，假設(shè)遠(yuǎn)期占比10%；4）抗體和蛋白替代：假設(shè)遠(yuǎn)期占比~8%。

Pfizer持續(xù)擴(kuò)大mRNA版圖

Pfizer在二季度財(cái)報(bào)交流會(huì)上公布了mRNA戰(zhàn)略規(guī)劃。

新冠疫苗：鞏固核心品種，推進(jìn)監(jiān)管全面批準(zhǔn)加強(qiáng)針以及針對(duì)突變株和下一代新冠疫苗臨床；

預(yù)防性疫苗：2021Q3啟動(dòng)modRNA流感疫苗臨床，未來將外延至以病毒疫苗為主的其他傳染病疫苗；

罕見病和腫瘤：尋求收益風(fēng)險(xiǎn)比率較好的適應(yīng)癥炎癥和免疫系統(tǒng)疾?。旱却踩愿玫倪f送系統(tǒng)從而推進(jìn)長期用藥的適應(yīng)癥

中國企業(yè)積極布局創(chuàng)新技術(shù)

新冠疫情爆發(fā)以來，國內(nèi)上市制藥企業(yè)也掀起與mRNA公司合作開發(fā)疫苗的熱潮，研究領(lǐng)域以新冠疫苗為主，兼顧其他傳染病、腫瘤免疫以及罕見病。新冠疫苗方面，目前海外兩款產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，國內(nèi)沃森/艾博/軍科院ARCoV處于臨床III期，斯微生物和珠海麗凡達(dá)處于臨床I期，研發(fā)進(jìn)度緊跟第一梯隊(duì)；其他研究領(lǐng)域海內(nèi)外大都處于臨床前/早期階段，國內(nèi)疫苗行業(yè)有望同臺(tái)競爭。

04他山之石：看海外龍頭管線布局和發(fā)展戰(zhàn)略

行業(yè)處于發(fā)展早期階段，頭部企業(yè)研發(fā)持續(xù)高投入

mRNA發(fā)現(xiàn)于1961年，在動(dòng)物體內(nèi)注射mRNA可以表達(dá)蛋白和誘導(dǎo)免疫應(yīng)答的現(xiàn)象分別發(fā)現(xiàn)于1990和1993年。CureVac作為海外三巨頭中最早成立的企業(yè)，創(chuàng)立于2000年，BioNTech和Moderna分別成立于2008和2010年，其他mRNA疫苗企業(yè)諸如Arcturus和eTheRNA成立于2013年、TranslateBio成立于2016年，大多距今僅5~10年。行業(yè)處于由實(shí)驗(yàn)室研究向醫(yī)藥工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的早期階段，頭部企業(yè)著眼于建設(shè)研發(fā)平臺(tái)、篩選高效的修飾方法和遞送系統(tǒng)、工藝放大以滿足規(guī)?；a(chǎn)、發(fā)現(xiàn)藥物并向臨床中后期推進(jìn)等，研發(fā)投入持續(xù)高增長，例如Moderna過去五年研發(fā)支出就接近40億美元。

技術(shù)是行業(yè)發(fā)展核心驅(qū)動(dòng)要素

修飾和遞送是解決mRNA成藥的關(guān)鍵技術(shù)，各家企業(yè)在早期探索階段都走過一些彎路。CureVac最早使用帶正電的魚精蛋白遞送未修飾mRNA的第一代狂犬疫苗CV7201就遇到免疫原性不佳的問題，從Acuitas和Arcturus引進(jìn)LNP遞送系統(tǒng)后開發(fā)的第二代狂犬疫苗CV7202則成功達(dá)到WHO中和抗體滴度標(biāo)準(zhǔn)。

傳染病領(lǐng)域是短期突破的重點(diǎn)布局方向

現(xiàn)階段mRNA修飾技術(shù)和遞送系統(tǒng)仍沒有完全解決mRNA本身免疫原性以及長期大劑量使用的安全性難題，傳染病疫苗接種劑量小、頻次低以及需要激活自身免疫應(yīng)答等特點(diǎn)恰好做到了揚(yáng)長避短，兩款新冠mRNA疫苗所取得的巨大成功也驗(yàn)證了這一方向的可行性，因此短期來看，新冠和流感得到了海外mRNA企業(yè)的密集布局。

海外形成“兩超多強(qiáng)”格局

Moderna和BioNTech/Pfizer依靠新冠mRNA疫苗商業(yè)化獲得了可觀的現(xiàn)金流和大規(guī)模生產(chǎn)能力，在各自擅長的傳染病、腫瘤免疫、罕見病替代療法等方向進(jìn)行了密集的管線布局且進(jìn)度領(lǐng)先；“Tier2”企業(yè)如CureVac和TranslateBio/Sanofi采取“大而全”的跟進(jìn)策略，也有如Arcturus和eTheRNA等依托自身特色技術(shù)/平臺(tái)，專注于細(xì)分領(lǐng)域，與大廠展開差異化競爭。

05國內(nèi)優(yōu)秀mRNA企業(yè)不斷涌現(xiàn)

艾博生物

公司概況：2019年成立于蘇州，致力于基于核酸(siRNA,mRNA,DNA)的新藥研發(fā)，廣泛布局癌癥和傳染病。

創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)：創(chuàng)始人英博博士曾在Moderna擔(dān)任高級(jí)科學(xué)家及項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)公司腫瘤免疫制劑團(tuán)隊(duì)搭建和研發(fā)基于mRNA的免疫療法藥物，擁有多年的核酸藥物研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

技術(shù)平臺(tái)：擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的mRNA和納米遞送技術(shù)平臺(tái)，可生產(chǎn)高純度mRNA；公司自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)混合技術(shù)可適用于納米脂球的工業(yè)化生產(chǎn)。

新冠疫苗：艾博生物聯(lián)合沃森生物、軍事科學(xué)院醫(yī)學(xué)研究院共同研發(fā)新冠mRNA疫苗（ARCoV）。2021.05啟動(dòng)全球多中心III期臨床，預(yù)計(jì)入組28000人；2021.07.21取得國內(nèi)III期臨床注冊(cè)，預(yù)計(jì)入組2000人；2021.09.01在墨西哥和印度尼西亞取得III期臨床批件。2021.07艾博生物宣布建成了中國首個(gè)符合GMP標(biāo)準(zhǔn)的mRNA疫苗生產(chǎn)基地，預(yù)計(jì)年產(chǎn)能將達(dá)到4000萬劑。

斯微生物

公司概況：2016年5月成立于上海張江，2017年獲得休斯頓衛(wèi)理會(huì)醫(yī)院（HoustonMethodistHospital）授權(quán)LPP遞送平臺(tái)全球獨(dú)家商業(yè)化權(quán)益，2018年建成mRNA生產(chǎn)中心，完成mRNA合成平臺(tái)驗(yàn)證、納米制劑產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)驗(yàn)證。

創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)：創(chuàng)始人兼CEO李航文，美國德州大學(xué)安德森癌癥中心博士，在RNA治療、癌癥治療和免疫治療領(lǐng)域擁有近20年的研究經(jīng)歷，美國羅斯維爾癌癥中心和上海同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院擔(dān)任助理教授；創(chuàng)始人唐定國教授為原MD安德森癌癥中心終身教授、羅斯維爾癌癥中心藥理及臨床治療系主任、美國AAASFellow(美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)fellow/院士)；聯(lián)合創(chuàng)始人沈海法為康奈爾大學(xué)休斯頓衛(wèi)理會(huì)醫(yī)院副教授、著名癌癥納米醫(yī)學(xué)專家。

技術(shù)平臺(tái)：LPP（lipopolyplex）納米遞送平臺(tái)是一種以聚合物包載mRNA為內(nèi)核、磷脂包裹為外殼的雙層結(jié)構(gòu)。公司基于LPP遞送系統(tǒng)廣泛布局癌癥、傳染病、蛋白缺陷類疾病和遺傳病等治療領(lǐng)域。

新冠疫苗：2020年6月，與西藏藥業(yè)合作就新冠疫苗、結(jié)核疫苗及流感疫苗開展合作，斯微生物獲得3500萬元預(yù)付款及最多3.51億元的里程碑付款，西藏