疫苗纯化技术和分析工具的简要概述

2023-03-26

疫苗信使RNA

疫苗接种是保护全球数十亿人的最有效、最具成本效益的方式，为全球健康做出了巨大贡献。据世卫组织称，免疫意识和政府举措每年帮助预防 200 万至 300 万人死亡。根据各个国家报告的数据，世卫组织估计，2021 年全球疫苗市场针对 47 种疫苗、有 94 家制造商中提供了大约 160 亿剂疫苗（高于 2019 年的 58 亿），包括 COVID 疫苗，价值 1,410 亿美元（高于 2019 年的 380 亿美元）。这一数字占医药市场的 10%（高于 2019 年的 4%）。用于病毒和细菌蛋白亚单位疫苗纯化的方法之前已有描述。多年来，疫苗开发技术有了显著改进，从最早开发为减毒活或灭活病原体的疫苗到新菌株和新系统的工程化。基于植物或昆虫幼虫的系统作为替代性低成本平台出现。为了开发针对新出现的 COVID-19 大流行的候选疫苗，已经开发了两种新型平台，即基于 mRNA 的疫苗和基于病毒载体的疫苗。由于其方法论的快速进步而率先进入市场。下游纯化：挑战与机遇每种疫苗都有其独特的生产过程。从基于细菌的疫苗生产到基于病毒的疫苗生产（图 1），下游工艺是疫苗生产中最复杂、要求最高的环节。图 1：疫苗生产示意图如图 2A 所示，下游工艺旨在消除来自宿主细胞或培养基的污染物，通过实施多单元操作（例如柱层析、超滤（ UF）和洗滤（DF）等（图2B）。图 2：下游纯化示意图疫苗行业显然需要并渴望变革和创新。这是由市场需求增加、产品短缺、监管要求增加、对产品可重复性、流程简化以及协调的需求、以及满足不断变化的传染病格局所推动的。该行业一直面临着在尽快到达临床的同时、产生投资回报的压力。对于老一代产品，还存在确保产品质量和供应的压力，同时还需克服设施、设备和遗留工艺老化带来的挑战。纯化技术和分析的进步如图 3 所示，下游技术进步由多种因素驱动，例如：相关行业的技术进步激发了生物工艺新技术的发展。提高分析工具的灵敏度。来自学术界的创新思想。来自提高表达水平的压力。对更高产量的需求。增加去除杂质的监管要求。这些需求为供应商和实验室提出创新解决方案来应对下游挑战创造了巨大机会。多年来，供应商和疫苗制造商共同努力开发生物工艺新技术和解决方案，例如共同开发无菌填充床层析系统以及用于纯化不可除菌的病毒疫苗的一次性全封闭系统。图 3：纯化技术发展的主要驱动力在疫苗工艺开发中实施新的纯化技术过去三十年纯化技术和分析工具的发展和突破使疫苗行业受益。例如，高通量工艺开发和分析工具的可用性加速了疫苗工艺开发，并有助于缩短工艺开发周期时间，从而加快概念的临床验证并缩短上市时间。将一次性技术引入生物工艺简化了新生产线和设施的建立，增加了疫苗工艺开发和生产的灵活性。连续生产在疫苗生产中的新兴概念和应用将进一步有助于降低商品成本和资本支出，同时由于稳态运行而确保产品质量始终如一。之前曾报道过使用高通量液体处理系统进行纯化开发可显著节省时间。结果表明，虽然在传统方法下完成 24 种填料筛选研究需要大约两个月的时间，但使用高通量液体处理系统仅需八天。此外，一次性技术的应用被发现产生了显著的经济效益，例如与传统的硬管道设施相比，资本成本降低了高达 40%，同时，通过缩短进入临床的时间而节省资金。实施最先进的分析工具，以支持疫苗开发新疫苗的开发高度依赖于其设计和评估分析方法的可用性。如表 2 所示，过去三十年分析技术取得的重大进步，改进了疫苗开发的测试范式，同时也支持现有的疫苗生产和质量控制。表 2：疫苗开发中使用的先进分析方法总结。 mRNA 提供新疫苗的潜力世界上第一个基于 mRNA 的 COVID-19 疫苗的迅速交付使 mRNA 技术的前景成为人们关注的焦点。如表 3 所示，与传统疫苗不同，基于 mRNA 的疫苗（例如辉瑞和 Moderna COVID-19 疫苗）为人类细胞提供了制造触发免疫反应的蛋白质的蓝本。mRNA 的生产与序列无关，这使其对不同的病原体具有高度适应性。表 3：传统疫苗与基于 mRNA 的疫苗的比较与传统疫苗相比，mRNA 最重要的优势之一是其生产相对简单，且与序列无关，从上游工艺（包括 mRNA 的酶促生成）和下游工艺（包括纯化 mRNA 产品所需的多单元操作）到脂质纳米颗粒 (LNP) 制剂和灌装/完成步骤。由于缺乏成熟且具有成本效益的工艺，下游工艺以及灌装/完成仍然是 mRNA 疫苗生产的主要瓶颈。尽管行业在努力开发获得高纯度产品的方法，但大多数方法都与传统的沉淀或核酸酶消化技术相结合。此外，大多数方法都不具有成本效益。具有成本效益的替代技术，例如单程切向流过滤 (SPTFF) 或水性两相系统 (ATPS)，可以在连续模式下应用，可能会缩短工艺时间，提高生产灵活性，同时降低成本，并保持质量。此外，新的层析操作模式，例如复合模式层析，可以克服对多个 mRNA 纯化步骤的需求。结论多年来，纯化技术取得了重大进展，推动了更高产量和更高质量的产品。然而，疫苗和生物行业仍然面临着降低成本、提高质量和产量以及提供解决方案、以满足未满足的医疗需求的压力。本文展示了疫苗纯化方法创新的好处及其影响。这项工作将需要继续强化整个产品开发过程，特别是下游纯化以及引入 mRNA 等新方法引起的复兴。原文：T. D’Amore, Y. Yang, A Brief Overview Of Vaccine Purification Technologies And Analytical Tools. Bioprocess Online, 2023.