疫苗前沿 | 冷冻干燥技术解决mRNA-LNP疫苗储运难题

mRNA是一种很有吸引力的疫苗方式，它在抗原设计上的灵活性以及开发和生产的速度，使得mRNA疫苗成为一种极为重要且经济效益巨大的干预手段。2020年的新冠疫情使得mRNA疫苗和药物受到全球范围内的广泛关注，Moderna和Pfizer/BioNTech迅速开发出非常有效的核苷修饰mRNA-LNP疫苗，采用LNP作为运输载体，并带动了mRNA领域研究的蓬勃发展。

                               图1：多款新冠 mRNA 疫苗采用LNP

            【来源：International Journal of Pharmaceutics，国金证券研究所】

小德在往期的文章“冷冻干燥技术助力新型mRNA疫苗研发与生产”中介绍了mRNA疫苗的研发与生产，今天带大家了解一下mRNA疫苗的递送技术LNP。

递送mRNA最为有效的常用载体—LNP

mRNA分子量大、亲水性强，但自身的单链结构极不稳定，易被降解。mRNA的有限寿命使细胞能够快速改变蛋白质合成以响应其不断变化的需求，却难以满足成药性的要求。加上mRNA分子本身携带负电荷，难以穿过表面同为负电荷的细胞膜，所以需要特殊的修饰或包裹递送系统才能实现mRNA药物的胞内表达，因此，递送技术是mRNA公司的核心专利技术之一。

递送mRNA疫苗的手段有物理方法、病毒载体方法和非病毒载体方法。脂质体及其衍生物已成为目前递送mRNA最有效的非病毒载体。用于递送mRNA疫苗的脂质载体主要分为以下几种：脂质体复合物（LP），脂质体聚合物（LPR），脂质体纳米粒（LNP），阳离子纳米乳（CNE）。

脂质体纳米粒（LNP）是mRNA药物常用的载体。LNP是一种多组分系统，通常由可电离脂质或阳离子类脂质化合物、辅助脂质、胆固醇、保护剂聚乙二醇-脂质共轭物组成。其作用是确保长链核酸分子的压实，保护其在细胞外酶的作用下不降解，并提供由于内吞作用（吞噬作用或胞吞作用），而将纳米颗粒转运到细胞中，随后将mRNA从内体（吞噬体）释放到细胞质中，用于翻译和表达具有免疫原性表位的蛋白质。

            图2：LNP结构组成

           【来源：Science】

每种LNP都由4种辅料构成，包括可电离脂质（与mRNA结合，将其电荷由负电荷转化为电中性，同时限制颗粒毒性）；另3种脂质可以维持粒子的结构并提高稳定性。

用LNP将mRNA包封，从而保护LNP中的mRNA，还可解决mRNA疫苗稳定性差的问题。为了疫苗能有效地在全球范围内进行流通，我们期望mRNA-LNP疫苗最好能够在冷藏温度（2-8°C）或更高的温度下有足够长的有效期。目前，公开资料中几乎没有关于mRNA-LNP 制剂长期储存稳定性数据。Moderna和BioNTech/辉瑞的新冠疫苗分别需要在-15~-25℃和-60~-90℃储存。mRNA-LNP 需要冷冻储存，对疫苗在全球运输、储存和流通是个极大的挑战。当前迫切需要研发出性质更加稳定不需要冷冻储存的mRNA-LNP疫苗。

宾夕法尼亚大学与德国BioNTech学者共同在Molecular Therapy发表过一篇文章：Lyophilization provides long-term stability for a lipid nanoparticle-formulated, nucleoside-modified mRNA vaccine。

                                图3：Molecular Therapy研究文章

用SP Scientific VirTis Genesis 35L Pilot Lyophilizer冻干机（见图4），对脂质纳米颗粒为载体的修饰核苷酸mRNA疫苗进行了稳定性研究。研究发现核苷酸修饰mRNA-LNP疫苗室温储存12周和4℃储存至少24周物理化学性质没有显著变化。小鼠研究中表明，萤火虫荧光素编码的冻干剂型mRNA-LNP依旧可以高水平表达，在室温储存12周或4℃储存至少24周后，未观察到编码HA的mRNA-LNP疫苗的免疫原性降低。

该研究为克服核苷修饰mRNA-LNP疫苗的长期储存难题提供了一个潜在的解决方案。

  图4：SP ScientificVirTisGenesis35LPilotLyophilizer冻干机

瑞科吉生物的冻干剂型mRNA-LNP新冠肺炎疫苗采用LNP递送系统，应用自主开发的冷冻干燥技术实现了4℃和25℃条件下的制剂稳定性。该疫苗可在常规冷链条件下贮存与运输，极大地提高了疫苗的可及性。研究成果已在 bioRxiv 在线发布，题为Lyophilized mRNA-lipid nanoparticle vaccines with long-term stability and high antigenicity against SARS-CoV-2。

作为全球范围内首款冻干mRNA疫苗，若该疫苗能够顺利通过临床成功上市，将对改变全球疫苗分发不均、新冠持续肆虐的困局起到关键作用。

                           图5：瑞科吉生物疫苗研究成果

冻干疫苗的优势及工艺开发，请移步往期文章“冷冻干燥技术助力新型mRNA疫苗研发与生产”。

mRNA-LNP疫苗的长期储存解决方案

SP Scientific 研发及生产型冻干机

关于mRNA-LNP疫苗的一些问题

问：如何准确实现冻干mRNA-LNP疫苗中关键配方温度测量？

                        图6：冻干显微镜Lyostat5及搭配使用的DSC模块

 英国Biopharma Group公司提供的冻干显微镜Lyostat5及可与显微镜搭配使用的DSC模块，可以轻松实现配方关键温度（Tc, Teu, Tg’)的测量。

问：如何快速实现mRNA-LNP冻干工艺开发和优化？

SP Scientific提供的Lyostar冻干机仅需运行一个遁环即可自动摸索和开发冻干工艺。结合全球领先的冻干PAT技术（Smart 全自动工艺开发技术，Controlyo晶核控制技术，TDLAS实时水蒸汽测量技术），使漫长复杂的工艺摸索变得简单快捷有效。

         图7：Lyostar 全智能冻干工艺开发与优化

问：是否有冻干mRNA-LNP疫苗的案例？

辉瑞、莫德纳，阿斯利康、强生均已在使用SP Scientific Lyostar智能工艺开发冻干机进行新冠冻干疫苗的研发。