mRNA疫苗技術(shù)具備研發(fā)周期短、安全性優(yōu)良、生產(chǎn)技術(shù)通用性強的特點，但由于mRNA疫苗的特殊工藝，傳統(tǒng)的生物制品廠房設計已不能完全滿足其制備要求?？茖W合理的廠房工藝設計是確保mRNA疫苗產(chǎn)能與質(zhì)量的主要條件，因此，如何設計既符合工藝要求又滿足獸藥GMP的動物mRNA疫苗生產(chǎn)廠房成為擺在我們面前急需探究的課題。鑒于不同國家在能源結(jié)構(gòu)、環(huán)保要求、設計理念等方面存在差異，在借鑒歐美已有的mRNA疫苗規(guī)?；a(chǎn)設施和我國人用mRNA疫苗廠房設計的基礎上，提出了符合我國獸藥GMP規(guī)范的mRNA疫苗廠房生產(chǎn)設施、工藝關(guān)鍵點和設計方案，以期為國內(nèi)動物mRNA疫苗車間建設提供參考。
［關(guān)鍵詞］動物；mRNA疫苗；生產(chǎn)設施；工藝設計；GMP
mRNA疫苗技術(shù)是疫苗開發(fā)領域的一項重大進展，具備高效、研發(fā)周期短、安全性優(yōu)良、生產(chǎn)技術(shù)通用性強的特點。mRNA技術(shù)是一種將人工合成的mRNA分子引入細胞內(nèi)，并利用細胞自身的翻譯機制來將其轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)的技術(shù)，已有幾十年的研究歷史。新冠疫情暴發(fā)后，Moderna利用該技術(shù)僅用了42天即完成了新冠mRNA候選疫苗mRNA-1273的構(gòu)建和篩選，并于2020年3月獲得FDA批準正式開始評估安全性和免疫原性的I期臨床試驗，試驗結(jié)果顯示該候選株的免疫保護性可達94.1%。2020年12月輝瑞和Moderna分別研制的mRNA疫苗均獲得美國食品安全局的緊急使用授權(quán)(EUA),成為疫苗史上最快研制上市的疫苗,標志著mRNA技術(shù)正式應用到COVID-19臨床預防。隨著mRNA技術(shù)的發(fā)展以及在新冠疫情防控中的應用，該技術(shù)成為生物醫(yī)學領域的研究熱點，得到了極大的關(guān)注，并獲得了2023年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。作為一種潛力巨大的新型技術(shù)，無論是出于預防目的還是治療用途，以及作為新型治療藥物的基礎，諸多國內(nèi)外企業(yè)正快速推進相關(guān)mRNA制品的研究與應用。截至2023年12月，美國ModernaTherapeutics公司原研的mRNA疫苗產(chǎn)品數(shù)量最多，一共有28個；美國的AlphaVax公司和比利時的ZiphiusVaccines公司原研疫苗各10個；中國的斯微生物(StemiRNA)和蘇州艾博生物(AnbogenBiosciences)公司分別有9個和2個產(chǎn)品在研,其中包括艾博生物的ARCoVax疫苗和麗凡達生物旗下的LVRNA009,這兩種疫苗都已經(jīng)步入了Ⅲ期臨床試驗。沃森生物、石藥集團等研究成功的新冠mRNA疫苗于2023年12月被我國國家藥監(jiān)局獲批納入緊急使用。mRNA疫苗是通過合成和轉(zhuǎn)錄等技術(shù)制備得到的核酸制劑，通過特定的遞送系統(tǒng)將外源的目的基因序列導入機體細胞，從而表達目的蛋白并激發(fā)機體產(chǎn)生特異性免疫反應，以實現(xiàn)免疫保護。mRNA注射進入體內(nèi)發(fā)揮作用，但其本身不進入細胞核，避免了外源性DNA污染的風險，具備較高的安全性。與傳統(tǒng)疫苗相比，mRNA疫苗采用DNA模板并通過無細胞酶促轉(zhuǎn)錄反應進行生產(chǎn)。這種生產(chǎn)工藝相對簡單，能夠快速實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。同時，mRNA疫苗的配方設計和生產(chǎn)步驟具備可復制性，有助于縮短研發(fā)生產(chǎn)周期。當前，國內(nèi)動物mRNA研發(fā)的積極性很高，急需根據(jù)mRNA疫苗產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝相對穩(wěn)定的特點，結(jié)合相關(guān)法規(guī)要求，借鑒并參考人mRNA疫苗車間設計理念,通過全面分析人mRNA疫苗產(chǎn)業(yè)化車間功能區(qū)布局、潔凈區(qū)域劃分、人流和物流走向、壓差分布以及氣流方向等方面特點要求，在探究動物mRNA疫苗廠房工藝設計的關(guān)鍵點與核心要素的基礎上，提出可供參考的方案，以期為國內(nèi)動物mRNA疫苗生產(chǎn)廠房的建設與管理提供參考。
從人用mRNA疫苗車間看，制造mRNA疫苗的過程一般分為三個關(guān)鍵階段：首先是質(zhì)粒DNA(plasmidDNA,pDNA)模板的制備，接著是mRNA藥物成分(drugsubstance,DS)的合成，最后是其裝載入傳遞系統(tǒng)并完成制劑的最終灌裝。這一系列步驟中至關(guān)重要的是從pDNA模板的生產(chǎn)到mRNA藥物物質(zhì)的合成等核心工藝的工程設計。
在產(chǎn)業(yè)化規(guī)模下，pDNA的生產(chǎn)通常采用大腸桿菌為宿主的系統(tǒng)進行。這個流程包括大腸桿菌的發(fā)酵作為上游過程，繼而是收集與裂解菌體，最后是下游的pDNA提純和溶液的灌裝。在經(jīng)過優(yōu)化構(gòu)建的pDNA系統(tǒng)中，目標質(zhì)粒在大腸桿菌中通過發(fā)酵過程被表達，接著通過裂解過程釋放到培養(yǎng)上清液中。后續(xù)的澄清過濾及色譜純化等步驟將用于去除細胞殘留物、RNA和線性DNA等雜質(zhì)。目前，pDNA的生產(chǎn)技術(shù)相對成熟，并已有詳盡的操作流程。
mRNADS的生產(chǎn)工藝包含數(shù)個關(guān)鍵步驟：起始于上游的pDNA線性化，隨后進行體外轉(zhuǎn)錄(invitrotranscription,IVT),然后進入下游的mRNA純化過程，以及最終的原液灌裝。在這其中，特別需要注意的是，pDNA的生產(chǎn)過程最終產(chǎn)出的是超級螺旋(supercoiled)pDNA,這種形式的pDNA比線性化的pDNA結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，更適合長期儲存。盡管如此，如果通過驗證確認線性化pDNA在特定條件下能夠保持穩(wěn)定性，線性化過程可作為pDNA制造后的一個附加步驟。這樣獲得的線性化pDNA可在凍存之后直接應用于IVT過程。
目前，mRNA藥物成分(DS)的生產(chǎn)過程尚未形成一套通用和標準化的生產(chǎn)流程，市場上已上市或正在開發(fā)中的產(chǎn)品采取了不同的生產(chǎn)技術(shù)路徑，包括上游合成、下游處理方面，如圖1A所示。目前在人藥有兩種獲得批準的mRNA疫苗生產(chǎn)方法,其上游合成階段的差異是用于加成5’帽的技術(shù)選擇不同，一種是在轉(zhuǎn)錄過程中同時進行帽的添加（共轉(zhuǎn)錄加帽，即一步法），而另一種方法則是在轉(zhuǎn)錄完成后再加帽（轉(zhuǎn)錄后加帽，即二步法），如圖1B所示。
在制備mRNA疫苗時，一步法是在IVT的同時結(jié)合引物，類似于BioNTech公司用于BNT162b2疫苗的技術(shù)；二步法則是先進行IVT,隨后加入加帽酶進行結(jié)合，這是Moderna公司在生產(chǎn)其mRNA-1273疫苗時所采用的技術(shù)。
在純化mRNA的過程中，不同的公司采用的方法不盡相同。一般研究中的純化過程通常采納類似于Moderna公司使用的雙色譜分離技術(shù)。純化的第一階段是使用OligodT親和色譜法，它依賴于OligodT與mRNA的polyA尾端的特異性結(jié)合，以實現(xiàn)從合成混合物中分離mRNA,從而有效移除未參與反應的試劑和DNA模板等。但是，這個步驟不能清除大量的雙鏈RNA(dsRNA)。純化的第二階段通常采用疏水色譜或離子交換色譜技術(shù)，這些技術(shù)有助于除去可能激發(fā)人體免疫反應的dsRNA和截短的RNA雜質(zhì)。去除dsRNA雜質(zhì)，還可以使用反相離子對色譜法，這種辦法對dsRNA的清除率相對較高，但這種方法大量使用有機溶劑。因此研究應用時，對環(huán)境可能造成的影響也需納入考量。
鑒于mRNA疫苗生產(chǎn)過程并沒有完全統(tǒng)一的路線，現(xiàn)階段生產(chǎn)車間的設計必須具備一定的靈活性，以適應后續(xù)可能出現(xiàn)的各種不同的制造工藝需求。mRNA疫苗的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)能
mRNA因其針對的目標和途徑的不同而需要不同的生產(chǎn)規(guī)模。例如，在應對全球性流行病時用于預防的COVID-19疫苗需求量可達到數(shù)十億劑量。而對于其他種類的傳染病，比如季節(jié)性流感或特定類型腫瘤的預防和治療疫苗，雖然它們可能需要適配更多的治療方式，但每個特定應用的人群規(guī)模預計將達數(shù)百萬。除此之外，還存在著對極為專門化治療需求的個性化療法，這可能涉及到對單個特種病定制的產(chǎn)品，其生產(chǎn)規(guī)模相對較小，僅為微克到毫克級別。參考市場上已獲批準的BioNTech/Pfizer和Moderna的COVID-19mRNA疫苗的產(chǎn)品信息（見表1),并以每年生產(chǎn)10億劑疫苗的生產(chǎn)規(guī)模為案例，深入分析相關(guān)工藝設計問題。
根據(jù)文獻,基于規(guī)劃的年度產(chǎn)能目標，設定為mRNA物質(zhì)每年30kg。采用反應轉(zhuǎn)化率為100、以及過程收率為70%的參數(shù)進行產(chǎn)能需求計算，得出所需pDNA的年度產(chǎn)能為428.6g。在每個生產(chǎn)批次中，若投入4.3g的pDNA,并且按照70%的過程收率計算，每批能收獲的mRNA為301g?？紤]到mRNA的單批生產(chǎn)周期為3天，一年內(nèi)可進行約100個生產(chǎn)批次。據(jù)此估計，mRNA的年度產(chǎn)能至少達到或超過30.1kg,從而才能滿足預定的年度產(chǎn)能要求。
綜合上文分析，pDNA年度產(chǎn)能需求為每年428.6g。應用體積為50L的發(fā)酵罐進行生產(chǎn)時，考慮到pDNA的表達量為0.2g/L,并且以50%的收率估算，預計每一批次產(chǎn)出約為5g的pDNA[16]。假設每批pDNA的生產(chǎn)周期為5天，并且批次之間的生產(chǎn)間隔設定為3.5天，那么在一個年度周期內(nèi)，至少可以完成88個生產(chǎn)批次。據(jù)此，年度pDNA產(chǎn)量至少需要達到440g,才能充分滿足年度產(chǎn)能要求。
在不對現(xiàn)有生產(chǎn)設施進行改進的前提下，通過減少年度生產(chǎn)批次，可將生產(chǎn)班次從三班制調(diào)整為兩班制，或是調(diào)降mRNA藥物成分(DS)生產(chǎn)過程中單批次的投料量至使得體外轉(zhuǎn)錄(IVT)過程中藥物濃度維持在2~5g/L的水平，實現(xiàn)生產(chǎn)線的靈活調(diào)整，以支持每年生產(chǎn)最多7500萬劑（每劑100μg)的疫苗。這樣的產(chǎn)能能夠滿足預防和治療目的mRNA疫苗的目標群覆蓋需求。
根據(jù)文獻資料就人用mRNA疫苗生產(chǎn)制造工藝布局、人員與物料流向、潔凈區(qū)的劃分、壓力設計和氣流走向等要素進行分析介紹，見圖2。
在生產(chǎn)布局規(guī)劃中，設置兩個生產(chǎn)區(qū)域：一個是50L規(guī)模的質(zhì)粒生產(chǎn)區(qū)，另一個是同樣規(guī)模的mRNA藥物成分(DS)生產(chǎn)區(qū)。與傳統(tǒng)的抗體制造設備相比，這些設備的規(guī)模較小。要求無菌條件下進行的灌裝工作必須在無菌車間內(nèi)進行，而這一部分的工藝設計已經(jīng)相當成熟，因此重點關(guān)注pDNA和mRNADS的生產(chǎn)過程的工藝布局。生產(chǎn)無菌的mRNADS對環(huán)境條件有較高要求，在工藝布局設計時將其與大腸桿菌的生產(chǎn)線徹底隔離，并單獨設置，使用不同的空調(diào)系統(tǒng)，防止交叉污染。如圖2展示的，左側(cè)區(qū)域是pDNA的生產(chǎn)區(qū)域，而右側(cè)是mRNADS的生產(chǎn)區(qū)域。pDNADS的生產(chǎn)線包括以下功能間：接種間、發(fā)酵和收獲間、純化間以及灌裝間。與此同時，培養(yǎng)基的配制間與上游工段鄰接，而緩沖液的配制間則緊鄰下游工段，以實現(xiàn)物料傳輸?shù)淖疃叹嚯x。其他輔助空間包括清洗和滅菌間，以及微生物廢物滅活間等。在mRNADS的生產(chǎn)車間中，關(guān)鍵工序操作間主要包括IVT間、純化間，配液間與純化間相鄰，方便使用。此外，還配備了清洗和滅菌間，中間過程的控制室，以及材料暫存間等輔助功能間。傳統(tǒng)工藝布局理念，可以按照類似于實驗室的“大通間”設計思路用在mRNADS的生產(chǎn)車間設計方面，即把IVT和純化過程安置在同一功能間內(nèi)。這種布局具有工藝切換靈活、節(jié)約空間等優(yōu)勢，但是需要對潛在的上下游交叉污染問題進行充分的風險評估。
生產(chǎn)pDNA時對操作環(huán)境潔凈度的設置，遵循GMP要求。在pDNA生產(chǎn)過程中，用于培養(yǎng)大腸桿菌其所在背景環(huán)境為C級潔凈區(qū)。發(fā)酵過程若是封閉操作，所推薦的潔凈級別為D級以上。在純化階段，可在C級環(huán)境下進行。如圖3所描述，人員與物料的出入口設有氣閘間。通過在人員或物料進出時控制空氣流動，盡可能降低微生物及其他污染源的介入。在換穿潔凈服之后，pDNA生產(chǎn)人員進入D級潔凈區(qū)的走廊，在前往接種間之前，需更C級潔凈衣。與此類似，純化室的工作人員在進入相關(guān)功能間之前，同樣需更C級潔凈衣。物料通過專設的物料氣閘間，經(jīng)過外清潔后進入潔凈區(qū)。廢棄物由專設廢物氣閘間轉(zhuǎn)出，接著被運送至北側(cè)。此類平面布局通過氣閘間將發(fā)酵間、純化間等可能產(chǎn)生污染的區(qū)域隔離開來，確保D級共用通道的相對潔凈狀態(tài)。
在mRNADS的生產(chǎn)區(qū)，由于最終產(chǎn)品需經(jīng)無菌過濾，因此整個制造區(qū)是按照C級潔凈標準而設計的，以控制過程中的生物載量。在其進出口同樣設有供人員及物料專用的氣閘間。在更C級潔凈服后，人員可進入C級潔凈區(qū)走廊及其它功能空間。IVT和純化是兩個關(guān)鍵的核心功能間，通過設置氣閘間來降低交叉污染的風險。
潔凈室入口處的氣閘室設計起著關(guān)鍵作用，其遮擋外部的污染空氣并且調(diào)整壓力差異。根據(jù)空間的特定需要，設置梯度式(cascade)氣閘間、正壓式(bubble)氣閘間和負壓式(sink)氣閘間等多種形式，如圖4所示。梯度式(cascade)氣閘間適用于需要保持一定潔凈等級但無隔離需求的場所，或者有隔離需求但不要求嚴格潔凈度的場所。正壓和負壓風閘適宜用在既有潔凈度要求又需產(chǎn)品隔離的場合。如圖5所示，mRNADS的更衣空間采取了漸變壓力風閘設計，用以確保合適的潔凈水平。C級通道與各關(guān)鍵功能區(qū)之間，正壓風閘的設置有助于阻止區(qū)域間空氣交叉流通，保持潔凈室內(nèi)的潔凈等級，并有效避免各操作間的空氣外泄。與此相似，pDNA生產(chǎn)區(qū)域以及發(fā)酵和收獲間與D級通道之間也采用正壓氣閘設計，以防止?jié)撛诘膸Ь諝馕廴?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 17px; font-family: Calibri;">D級潔凈走廊。純化間則涉及pDNA原液的無菌過濾與包裝，因此與D級潔凈走廊之間應用了梯度式氣閘間，確保氣流從純化區(qū)向D級潔凈走廊流動，預防走廊內(nèi)的氣流倒流，避免影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
人mRNA疫苗車間設計理念對動物mRNA疫苗車間設計的啟示筆者通過對國內(nèi)外人藥法規(guī)管理以及資料、文獻查詢，結(jié)合對國內(nèi)某公司的mRNA疫苗生產(chǎn)車間進行了調(diào)研和學習交流，根據(jù)獸藥GMP相關(guān)要求，對動物mRNA疫苗生產(chǎn)線的工藝布局進行了探究與思考，提出了供獸藥行業(yè)參考的建議。4.1關(guān)于mRNA疫苗生產(chǎn)工藝mRNA疫苗的制造始于以pDNA為模板的過程，通過酶的作用，從pDNA轉(zhuǎn)錄出mRNA。歐盟法規(guī)允許生物技術(shù)公司將此類pDNA的制作外包給專業(yè)的合同制造機構(gòu)(contractmanufactureorganization,CMO),并把這一環(huán)節(jié)作為原材料監(jiān)控的一個部分。與此不同，《中華人民共和國疫苗管理法》及《新型冠狀病毒預防用疫苗研發(fā)技術(shù)指導原則（試行）》規(guī)定，在中國境內(nèi)，pDNA模板被歸類為原液生產(chǎn)的一部分,要求相關(guān)企業(yè)必須自行制造pDNA。而我國動物疫苗GMP管理實踐中，也需將其作為生產(chǎn)的一部分。鑒于這些差異以及對技術(shù)平臺完善性及將來應用的靈活性的考慮，動物mRNA疫苗的制造流程可從pDNA的制備著手，重點關(guān)注pDNA與mRNA原液制備的關(guān)鍵工藝流程和與其相應的工藝工程設計細節(jié)。
4.2關(guān)于動物mRNA疫苗車間生產(chǎn)線分區(qū)根據(jù)目前動物mRNA疫苗的生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)線核心功能區(qū)通?？煞譃?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 17px; font-family: Calibri;">5個區(qū)域（平面布局參見圖6)：發(fā)酵和收獲區(qū)、pDNA純化區(qū)、IVT區(qū)、LNP區(qū)和無菌罐裝區(qū)，這5個區(qū)域應分別設置且相互獨立，不同區(qū)域的人流和物流應分開設置，與mRNA疫苗生產(chǎn)相配套的倉儲區(qū)和質(zhì)檢區(qū)可參考常規(guī)獸藥GMP的工藝設計。
發(fā)酵和收獲區(qū)，主要是采用不同規(guī)格的發(fā)酵罐對大腸桿菌進行發(fā)酵，然后通過碟片離心機或冷凍離心機收集菌體，再對菌體進行裂解，離心后收集上清。pDNA純化區(qū)，主要是通過超濾濃縮－層析-超濾等方式對獲得的pDNA進行逐級純化，在純化區(qū)的末端可設置酶切反應罐，對純化后的pDNA進行線性化。IVT區(qū)，主要是對pDNA進行體外轉(zhuǎn)錄，然后超濾或者層析，進行加帽修飾，親和層析，最后再經(jīng)過一次超濾后，保存或進入下一道工序。LNP區(qū)，主要是對體外轉(zhuǎn)錄后的mRNA進行包裝，通常采用微流體動力學技術(shù)將mRNA和LNPs混合，使mRNA被脂質(zhì)顆粒所包裹，根據(jù)需要可加入防凍劑等穩(wěn)定劑。無菌罐裝區(qū)，主要是將制劑灌裝到小瓶或預裝式注射器中。4.4關(guān)于質(zhì)量控制及其他功能間
除了生產(chǎn)車間配置之外，mRNA疫苗的生產(chǎn)還需輔以適當?shù)馁|(zhì)量控制(qualitycontrol,QC)實驗室，以進行原料、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)品的檢測工作。例如，在pDNA生產(chǎn)時對細菌種子的檢測、超螺旋質(zhì)粒的純度、殘留和微生物限度的質(zhì)量控制等。同時，車間所使用的部分原料和輔料，比如特定的酶，可能需要在特定溫度下儲存；與此類似，mRNA疫苗的原液和成品也對保存溫度有明確要求。例如，BioNTech/Pfizer的疫苗最終產(chǎn)品需儲存在-80~-60℃的條件下，而Moderna的mRNA疫苗最終產(chǎn)品的儲存溫度為-25~-15℃。由此，存儲區(qū)域需配備相匹配的冷藏設備，比如冰箱或冷庫，工藝布局設計中需包含這一考量。此外，在遞送系統(tǒng)的裝載過程中，可能會使用甲級的乙醇溶液進行稀釋，這就需要考慮防爆的標準和措施。
mRNA疫苗目前正在進入從實驗室研究向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型期，展現(xiàn)出巨大的市場潛力。然而，它仍須跨越多項技術(shù)難關(guān)才能成功實現(xiàn)。迄今，人藥物領域國外只有Moderna、BioNTech/Pfizer的COVID-19mRNA疫苗分別獲得了FDA和EMA等監(jiān)管機構(gòu)的緊急使用授權(quán)，國內(nèi)只有沃森生物、石藥集團等研發(fā)的新冠mRNA疫苗被國家藥監(jiān)局批準納入緊急使用。相比之下，動物mRNA疫苗研發(fā)大多停留在臨床前研究階段，缺乏在獸用GMP標準下進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)驗，同時也缺少相關(guān)的質(zhì)量控制和監(jiān)管先例作為參照。工廠設計應既具備前瞻性，以應對潛在的生產(chǎn)能力擴張，同時又需避免過度設計，以免造成初期投資過高。這要求對疫苗產(chǎn)品本身的特性及市場未來的發(fā)展趨勢有充分的了解和預判。本研究旨在為國內(nèi)動物mRNA疫苗生產(chǎn)平臺的建設和發(fā)展提供思路。
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