醫(yī)藥生物行業(yè)專題報(bào)告：mRNA技術(shù)有望迎來(lái)黃金十年

醫(yī)藥生物行業(yè)專題報(bào)告：mRNA技術(shù)有望迎來(lái)黃金十年mRNA技術(shù)：通用型技術(shù)平臺(tái)，正處于快速發(fā)展期基礎(chǔ)概念：mRNA是什么？mRNA通過(guò)“翻譯”指導(dǎo)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(lái)，攜帶遺傳信息，指導(dǎo)細(xì)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(guò)不同的遞送方式遞送到人體細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)翻譯后產(chǎn)生相應(yīng)的抗原蛋白，從而有效激起細(xì)胞免疫和體液免疫。mRNA因其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可廣泛應(yīng)用于預(yù)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(dá)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(tái)。目前mRNA可應(yīng)用于傳染病預(yù)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(yù)防疫苗、治療疫苗、治療藥物。其中預(yù)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(jiǎn)單、有效性高等優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)：研發(fā)周期短；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、擴(kuò)產(chǎn)容易；無(wú)需佐劑、有效性高；

不進(jìn)入細(xì)胞核、安全性較好等。與DNA疫苗相比，不進(jìn)入細(xì)胞核、安全性較好，并且起效更快、效果更強(qiáng)。發(fā)展歷程：分子修飾、遞送等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，商業(yè)化時(shí)代開(kāi)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(shí)間，技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：1961-1990年：mRNA從理論照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。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(bào)告，明確了mRNA的具體機(jī)制和作用以及其作為“指揮官“的發(fā)展?jié)摿Α?990-2009年：分子修飾等關(guān)鍵技術(shù)使得人體應(yīng)用成為可能。從上世紀(jì)90年代到2009年，為實(shí)現(xiàn)從動(dòng)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(xué)修飾可降低mRNA免疫原性，2009年首次在人體上應(yīng)用癌癥免疫治療。2009-2020年：遞送技術(shù)的進(jìn)展推動(dòng)人體臨床大規(guī)模開(kāi)展。2009年LNP遞送系統(tǒng)首次申請(qǐng)專利，2010年全球mRNA領(lǐng)導(dǎo)者M(jìn)oderna成立，2015年首個(gè)LNP遞送的mRNA疫苗進(jìn)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(lái)充足的動(dòng)力，多項(xiàng)mRNA疫苗開(kāi)展臨床。2020年-至今：商業(yè)化時(shí)代正式開(kāi)啟。2020年全球首個(gè)mRNA商業(yè)化產(chǎn)品mRNA-1273上市，迅速得到資本市場(chǎng)的追捧。我國(guó)的mRNA技術(shù)行業(yè)也于此開(kāi)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(chǎng)的助力，mRNA技術(shù)將進(jìn)入快速發(fā)展的黃金十年。市場(chǎng)規(guī)模：預(yù)計(jì)2035年mRNA領(lǐng)域市場(chǎng)有望達(dá)230億美元根據(jù)PubMed預(yù)計(jì)，2035年mRNA市場(chǎng)總體規(guī)模230億美金，其中非新冠產(chǎn)品有望達(dá)到180億美金，2025-2035GAGR68%預(yù)防疫苗：2035年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到120-150億美元。1）新冠疫苗2021年570億美金左右（輝瑞/BioNTech/復(fù)星400億美金+Moderna170億美金，由于加強(qiáng)針接種和降價(jià)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)2035年新冠疫苗貢獻(xiàn)50億美金左右。2）其他疫苗，預(yù)計(jì)2024-25年開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)銷售，隨著市場(chǎng)的開(kāi)拓和放量，假設(shè)平均每個(gè)在研管線的銷售峰值為8億美金，預(yù)計(jì)2035年銷售額達(dá)到70-100億美金。治療疫苗：2035年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到70-100億美金。假設(shè)個(gè)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(chǎng)規(guī)模達(dá)到40-50億美金。假設(shè)腫瘤、呼吸系統(tǒng)、罕見(jiàn)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(guò)程中主要涉及到分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(gè)環(huán)節(jié)都有一些技術(shù)壁壘或者工藝難點(diǎn)需要解決。由于mRNA分子的脆弱性，目前尚未完全實(shí)現(xiàn)裸露mRNA藥物注射進(jìn)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(shí)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(yàn)企業(yè)的序列優(yōu)化水平，同時(shí)能夠?qū)?shí)驗(yàn)室中試工藝放大并穩(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(hù)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(dǎo)細(xì)胞生產(chǎn)自身所需蛋白質(zhì)，靶點(diǎn)可在細(xì)胞內(nèi)或分泌到細(xì)胞外，因此理論上可將編碼相應(yīng)蛋白質(zhì)的mRNA通過(guò)一定手段運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，從而對(duì)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(guò)細(xì)胞膜并有效地滲入細(xì)胞質(zhì)，因此如何將mRNA遞送至細(xì)胞質(zhì)中并及時(shí)指導(dǎo)蛋白質(zhì)生產(chǎn)將成為核心。目前mRNA遞送主要面臨3個(gè)難點(diǎn)如胞外屏障、內(nèi)體逃逸、胞內(nèi)免疫，一個(gè)優(yōu)異的遞送系統(tǒng)需要解決以上3個(gè)難點(diǎn)。如何繞過(guò)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(wèn)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(yáng)離子脂質(zhì)、非陽(yáng)離子脂質(zhì)、綴合脂質(zhì)以及各成分的比例，預(yù)計(jì)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(kāi)，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(jìn)行LNP系統(tǒng)的配制，依然會(huì)面臨著工藝參數(shù)穩(wěn)定性的問(wèn)題，具體體現(xiàn)在LNP粒徑是否均一、雜質(zhì)是否有殘留、陽(yáng)離子脂質(zhì)導(dǎo)致的細(xì)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(gòu)買專利進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)的方式享受mRNA技術(shù)帶來(lái)的紅利。另一方面可以繞過(guò)專利形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這也需要更多時(shí)間、資本和技術(shù)積淀，如對(duì)主流的LNP遞送系統(tǒng)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，使用降低速度更快的可離子脂質(zhì)從而解決毒性問(wèn)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(tuán)隊(duì)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(guò)對(duì)mRNA分子序列優(yōu)化，提高mRNA分子穩(wěn)定性、翻譯效率、表達(dá)量、半衰期等，從而進(jìn)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(duì)mRNA分子序列、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(diǎn)以及可以優(yōu)化的環(huán)節(jié)。2021年6月CureVac宣布其開(kāi)發(fā)的mRNA疫苗CVnCoV在2b/3期臨床試驗(yàn)中預(yù)防感染COVID-19僅有47%的保護(hù)力，可能失敗的原因就包括未對(duì)編碼區(qū)的核苷酸進(jìn)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(shí)抑制外切核酸酶對(duì)mRNA的降解并抑制固有免疫反應(yīng)。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(dá)，對(duì)mRNA的翻譯效率、半衰期、蛋白表達(dá)水平等有影響。一般可以引入Kozak序列或者保持短散的設(shè)計(jì)從而增強(qiáng)翻譯效率。ORF（編碼區(qū)）：3個(gè)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(guò)密碼子的優(yōu)化（規(guī)避不常見(jiàn)/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(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性和翻譯效率，同時(shí)減少固有免疫反應(yīng)和mRNA的降解。3’

UTR（3’端非編碼區(qū)）：調(diào)控翻譯和蛋白表達(dá)，對(duì)mRNA的翻譯效率、半衰期、蛋白表達(dá)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(lái)增強(qiáng)mRNA穩(wěn)定性、增強(qiáng)翻譯效率。Poly(A)tail（多聚腺苷酸尾）：抑制mRNA脫帽和降解，尾巴長(zhǎng)度影響翻譯效率和蛋白表達(dá)水平。一般而言，64-150-nt長(zhǎng)度的Poly（A）能夠?qū)崿F(xiàn)最高水平的蛋白表達(dá)。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(yù)計(jì)2025年到期，其已獨(dú)家授權(quán)給一家mRNA療法企業(yè)，通過(guò)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(qiáng)子；e）增強(qiáng)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(kāi)，需要購(gòu)買該專利或者開(kāi)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(guò)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(jí)時(shí)間里自組裝成納米顆粒，具體過(guò)程參見(jiàn)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(guò)微流控、射流等方式實(shí)現(xiàn)這一過(guò)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(wú)論選擇Y型微流控、T型微流控還是沖擊射流，都需要在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(gè)流程，高效的純化策略至關(guān)重要。mRNA疫苗生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多雜質(zhì)，無(wú)論是在質(zhì)粒生產(chǎn)、質(zhì)粒純化與線性化過(guò)程中，還是在體外轉(zhuǎn)錄、加帽等過(guò)程中，均會(huì)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(shí)在純化過(guò)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(guò)程中不斷摸索完善。同時(shí)，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(zhǎng)時(shí)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(jià)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(yù)防用mRNA疫苗藥學(xué)研究技術(shù)指導(dǎo)原則（試行）》，以mRNA疫苗為例，將整體生產(chǎn)流程分為3個(gè)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(kāi)始的。利用電流打破細(xì)胞膜，并將環(huán)狀的pDNA引入大腸桿菌進(jìn)行繁殖擴(kuò)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(kāi)從而形成線性化pDNA，之后再進(jìn)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(niǎo)嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶）等多種物質(zhì)在無(wú)細(xì)胞的生物反應(yīng)器內(nèi)混合，從而發(fā)生化學(xué)酶促反應(yīng)生產(chǎn)mRNA，之后采取多種方式進(jìn)行純化從而得到mRNA原液。（3）制劑的生產(chǎn)：通過(guò)微流控設(shè)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(jià)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(jià)值占比最大，其次是各種工具酶。單劑mRNA疫苗的售價(jià)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(shè)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T7RNA聚合酶、無(wú)機(jī)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%。重點(diǎn)公司分析沃森生物

：積極布局mRNA平臺(tái)，HPV+PCV13重磅品種發(fā)力公司成立于2001年，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已形成結(jié)構(gòu)優(yōu)良、品種豐富的疫苗管線。2019年12月公司重磅品種PCV13上市，成為國(guó)內(nèi)第2家、國(guó)產(chǎn)首家，提前卡位重磅品種銷售紅利期。2022年3月公司第2款重磅品種HPV2上市，成為國(guó)內(nèi)HPV2疫苗領(lǐng)域第3家、國(guó)產(chǎn)第2家，預(yù)計(jì)22年下半年開(kāi)始貢獻(xiàn)業(yè)績(jī)。公司已建立細(xì)菌疫苗、重組蛋白疫苗等技術(shù)平臺(tái)，并合作建立mRNA疫苗、重組腺病毒疫苗等新型技術(shù)平臺(tái)。2020年以來(lái)公司積極布局mRNA平臺(tái)，先后與艾博生物、藍(lán)鵲生物展開(kāi)合作，其中與艾博生物合作的mRNA新冠疫苗處在臨床后期。諾唯贊：生命科學(xué)上游領(lǐng)先供應(yīng)商之一，積極布局mRNA疫苗關(guān)鍵酶原料東富龍：藥機(jī)平臺(tái)化龍頭，生物大分子、細(xì)胞裝備高速增長(zhǎng)公司一直專注于凍干系統(tǒng)的行業(yè)發(fā)展，為制藥企業(yè)提供專業(yè)化、個(gè)性化、定制化的凍干系統(tǒng)解決方案，目前凍干機(jī)產(chǎn)銷量居國(guó)內(nèi)首位。同時(shí)在凈化工程、生物工程等領(lǐng)域也占據(jù)一定市場(chǎng)地位，開(kāi)發(fā)多種純化整體解決方案和超濾、層析等系統(tǒng)。公司可以為mRNA疫苗提供生物反應(yīng)器、配液、灌裝、燈檢、后道包裝裝備等，同時(shí)涵蓋生物大分子層析技術(shù)領(lǐng)域，提供mRNA疫苗下游純化工藝整體解決方案。HYPERLINK"/S/SZ300358?