医药生物行业专题报告：mRNA技术有望迎来黄金十年（附下载）

Tomxiao1961 2022-05-20 发布于广东

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mRNA 技术：通用型技术平台，正处于快速发展期

基础概念：mRNA 是什么？

mRNA 通过“翻译”指导蛋白质的生产。mRNA（信使核糖核酸）是由 DNA 模板转录而来，携带遗传信息，指导细胞生产胞内蛋白、膜蛋白及胞外蛋白。以 mRNA 疫苗为例，核心原理就是将编码抗原的 mRNA 通过不同的递送方式递送到人体细胞内，在细胞内翻译后产生相应的抗原蛋白，从而有效激起细胞免疫和体液免疫。

mRNA 因其技术优势可广泛应用于预防疫苗、治疗疫苗、治疗药物等诸多领域。mRNA 理论上能够表达任何蛋白质，可以防治多种疾病，因此 mRNA 可以作为一种极具潜力的通用技术平台。目前 mRNA 可应用于传染病预防、肿瘤免疫治疗、蛋白替代、CAR-T、基因编辑等，总体可分为三大类：预防疫苗、治疗疫苗、治疗药物。其中预防疫苗领域的布局最丰富，其次是治疗药物领域。

mRNA 疫苗具有研发周期短、生产工艺简单、有效性高等优势。与传统的灭活/减毒疫苗、亚单位疫苗和基因工程疫苗相比，mRNA 疫苗具有如下优点：研发周期短；生产工艺简单、扩产容易；无需佐剂、有效性高；不进入细胞核、安全性较好等。与 DNA 疫苗相比，不进入细胞核、安全性较好，并且起效更快、效果更强。

发展历程：分子修饰、递送等关键技术实现突破，商业化时代开启

mRNA 从发现到作为商品首次上市大概经历了 60 年时间，技术的发展经历以下几个阶段：

1961-1990 年：mRNA 从理论照进现实。从 1961 年 mRNA 的发现，到 1990 年全球首次发表小鼠体内体外转录 mRNA 的报告，明确了 mRNA 的具体机制和作用以及其作为“指挥官“的发展潜力。

1990-2009 年：分子修饰等关键技术使得人体应用成为可能。从上世纪 90 年代到 2009 年，为实现从动物到人体的突破，mRNA 技术处于不断突破阶段，2005 年发现化学修饰可降低 mRNA 免疫原性，2009 年首次在人体上应用癌症免疫治疗。

2009-2020 年：递送技术的进展推动人体临床大规模开展。2009 年 LNP 递送系统首次申请专利，2010 年全球 mRNA 领导者 Moderna 成立， 2015 年首个 LNP 递送的 mRNA 疫苗进入临床，2015-2019 年 LNP 递送技术以及序列修饰技术的逐渐成熟给 mRNA 行业发展带来充足的动力，多项 mRNA 疫苗开展临床。

2020 年-至今：商业化时代正式开启。2020 年全球首个 mRNA 商业化产品 mRNA-1273 上市，迅速得到资本市场的追捧。我国的 mRNA 技术行业也于此开始蓬勃发展，随着前期的技术积累逐渐成熟以及资本市场的助力，mRNA 技术将进入快速发展的黄金十年。

市场规模：预计 2035 年 mRNA 领域市场有望达 230 亿美元

根据 PubMed 预计，2035 年 mRNA 市场总体规模 230 亿美金，其中非新冠产品有望达到 180 亿美金，2025-2035 GAGR 68%

预防疫苗：2035 年市场规模达到 120-150 亿美元。1）新冠疫苗 2021年570亿美金左右（辉瑞/BioNTech/复星400亿美金 Moderna 170 亿美金，由于加强针接种和降价趋势，预计 2035 年新冠疫苗贡献 50 亿美金左右。2）其他疫苗，预计 2024-25 年开始进入市场销售，随着市场的开拓和放量，假设平均每个在研管线的销售峰值为 8 亿美金，预计 2035 年销售额达到 70-100 亿美金。

治疗疫苗：2035 年市场规模达到 70-100 亿美金。假设个性化肿瘤疫苗的销售峰值为 50 亿美金，单一肿瘤疫苗的销售峰值为 13 亿美金。

治疗药物：2035 年市场规模达到 40-50 亿美金。假设肿瘤、呼吸系统、罕见病等管线的销售峰值分别为 11 亿美金、18 亿美金、5 亿美金。

关键壁垒：递送系统、序列优化、生产工艺

以 mRNA 疫苗为例，生产过程中主要涉及到分子结构设计、递送系统的优化、生产工艺放大等诸多环节，每个环节都有一些技术壁垒或者工艺难点需要解决。由于 mRNA 分子的脆弱性，目前尚未完全实现裸露 mRNA 药物注射进人体内从而发挥作用，因此找到合适的递送系统便成为最关键的部分，也是一家企业的技术实力和壁垒体现。另外，找到合适的递送系统后，如何让 mRNA 的翻译效率最高需要考验企业的序列优化水平，同时能够将实验室中试工艺放大并稳定生产需要企业摸索具体工艺参数，形成稳定的供货体系。

递送系统：专利保护和工艺参数铸就递送系统的高壁垒

mRNA 的脆弱性使得递送成为关键。mRNA 指导细胞生产自身所需蛋白质，靶点可在细胞内或分泌到细胞外，因此理论上可将编码相应蛋白质的 mRNA 通过一定手段运送到细胞质内，从而对所有蛋白质层面疾病发挥疗效。但是由于其大小、电荷和可降解性，裸露的 mRNA 不容易穿过细胞膜并有效地渗入细胞质，因此如何将 mRNA 递送至细胞质中并及时指导蛋白质生产将成为核心。目前 mRNA 递送主要面临 3 个难点如胞外屏障、内体逃逸、胞内免疫，一个优异的递送系统需要解决以上 3 个难点。

目前 mRNA 的递送系统以 LNP 为主，不同分子及构成比例是各家 LNP 系统的主要差异所在。目前已有脂质/类脂、聚合物、多肽、蛋白质、胞外囊泡等材料用于递送系统，其中脂质/类脂、聚合物等最为常见。进入临床的递送系统主要有脂质体、脂质纳米颗粒（LNP）、脂质复合物、脂质多聚复合物（LPP），其中LNP最为常见。如国际上 Moderna、BioNTech、 CureVac 以及国内除斯微生物的多数 mRNA 公司的递送系统均使用 LNP。LNP 主要由阳离子脂质、中性脂质、PEG 修饰脂质、胆固醇等构成，不同分子及构成比例是各家 LNP 系统的主要差异所在。（报告来源：报告研究所）

如何绕过专利壁垒并形成稳定的工艺参数成为企业亟待解决的问题。

1）专利壁垒：尽管 BioNTech 和 Moderna 的 mRNA 疫苗都使用了 LNP 递送系统，但是 2 家公司或多或少面临着专利纠纷。目前 Arbutus 具有 LNP 递送系统的专利所有权（US8058069B2），其专利范围包含核酸、阳离子脂质、非阳离子脂质、缀合脂质以及各成分的比例，预计 2029 年到期。

2）工艺参数：目前 LNP 递送系统的组分及配方已经公开，但是大量的工艺参数依然是商业秘密。这也就意味着即使企业知道如何使用合适比例的原材料进行 LNP 系统的配制，依然会面临着工艺参数稳定性的问题，具体体现在 LNP 粒径是否均一、杂质是否有残留、阳离子脂质导致的细胞毒性、LNP 的靶向性以及如何可控地释放包封药物等。

3）如何破解壁垒？一方面可以选择购买专利进行合作开发，通过技术引进的方式享受 mRNA 技术带来的红利。另一方面可以绕过专利形成自主知识产权，这也需要更多时间、资本和技术积淀，如对主流的 LNP 递送系统进行局部优化，使用降低速度更快的可离子脂质从而解决毒性问题；另外还可以研发更好的、可替代 LNP 的其他高效递送系统，如斯微生物的 LPP 系统、宾大某课题组的 IAJD 系统、张锋团队的 SEND 系统。

序列优化：分子修饰专利高效率加帽构成较大难度

mRNA 的基因序列一般由 5’-cap（5’端帽子）、5’ UTR（5’端非编码区）、 ORF（编码区）、3’ UTR（3’端非编码区）以及 Poly(A) tail（多聚腺苷酸尾）组成。通过对 mRNA 分子序列优化，提高 mRNA 分子稳定性、翻译效率、表达量、半衰期等，从而进一步增加 mRNA 疫苗/药物的安全性和有效性。已上市销售的两款 mRNA 疫苗（辉瑞/BioNTech 的 BNT162b2 和 Moderna 的 mRNA-1273）均对 mRNA 分子序列、结构等进行了设计和优化（如均使用假尿嘧啶（ψ）替换尿嘧啶（U）），但依然存在一些缺点以及可以优化的环节。2021 年 6 月 CureVac 宣布其开发的 mRNA 疫苗 CVnCoV 在 2b/3 期临床试验中预防感染 COVID-19 仅有 47%的保护力，可能失败的原因就包括未对编码区的核苷酸进行修饰。

5’-cap（5’端帽子）：在真核生物中可以与翻译起始因子 eIF4E 结合，保持 mRNA 的稳定，提高翻译效率，同时抑制外切核酸酶对 mRNA 的降解并抑制固有免疫反应。加帽途径一般有两种：共转录加帽、转录后加帽

5’ UTR（5’端非编码区）：调控翻译和蛋白表达，对 mRNA 的翻译效率、半衰期、蛋白表达水平等有影响。一般可以引入 Kozak 序列或者保持短散的设计从而增强翻译效率。

ORF（编码区）：3 个碱基组成的密码子可翻译成氨基酸，之后形成肽链后结构化成蛋白质。通过密码子的优化（规避不常见/ 不安全组合）、核苷酸替换（使用假尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶、N6- 甲基腺苷等修饰核苷酸）等增强 mRNA 的稳定性和翻译效率，同时减少固有免疫反应和 mRNA 的降解。

3’ UTR（3’端非编码区）：调控翻译和蛋白表达，对 mRNA 的翻译效率、半衰期、蛋白表达水平等有影响。一般可以引入稳定元件（人类 α-珠蛋白/β-珠蛋白）来增强 mRNA 稳定性、增强翻译效率。

Poly(A) tail（多聚腺苷酸尾）：抑制 mRNA 脱帽和降解，尾巴长度影响翻译效率和蛋白表达水平。一般而言，64-150-nt 长度的 Poly（A）能够实现最高水平的蛋白表达。加尾途径一般有两种：模板加入 Poly(A)、转录后 Poly(A)修饰。

分子修饰专利高效率加帽构成较大难度。

1）分子修饰专利。分子修饰的关键专利所有权（US8278036B2）属于宾大，预计 2025 年到期，其已独家授权给一家 mRNA 疗法企业，通过 2 次授权给 BioNTech 和 Moderna。该专利范围极广，包括 a）假尿苷；b）Poly(A)尾；c）m7GpppG 帽/3'-O-甲基-m7GpppG 帽；d）不依赖帽的翻译增强子；e）增强翻译的 5'和 3'非翻译区，其中假尿苷修饰最为关键。目前该专利基本上都绕不开，需要购买该专利或者开发更合适的分子修饰策略，但难度极大。

2）高效率加帽。在不考虑专利壁垒的情况下，体外转录合成 mRNA 分子的最关键环节在于如何高效率加帽。目前加帽途径主要分为一步法（共转录加帽）和两步法（转录后加帽）。

生产工艺：关键是将 mRNA 更好地搭载至递送载体上

如何将 mRNA 更好地搭载至递送载体上？在 mRNA 疫苗生产过程中，将含有脂质的乙醇相和含有 mRNA 的水相混合后形成脂质超饱和状态，在毫秒级时间里自组装成纳米颗粒，具体过程参见附录。最关键的工艺环节是将 mRNA 包裹在 LNP 中，从而形成稳定的纳米颗粒。目前可通过微流控、射流等方式实现这一过程，然而各家企业的生产秘密就在于工艺参数不尽相同，无论选择 Y 型微流控、T 型微流控还是冲击射流，都需要在实际生产过程中不断摸索具体工艺参数，从而形成可用于规模放大的稳定工艺体系。

纯化工艺贯穿整个流程，高效的纯化策略至关重要。mRNA 疫苗生产过程中会产生很多杂质，无论是在质粒生产、质粒纯化与线性化过程中，还是在体外转录、加帽等过程中，均会涉及到多步纯化与超滤，如何保证上一步工艺不影响下一步工艺尤为重要，同时在纯化过程中保证 mRNA 和递送系统的稳定性也至关重要。

冷冻等工艺仍需要摸索完善。除了上文提到的最关键的组装工艺、纯化工艺之外，在大规模生产中，LNP 粒径是否均一、杂质是否有残留等，都需要在生产过程中不断摸索完善。同时，如何在保持组分活性不下降的情况下，更便捷高效地冷冻/干燥从而保持更长时间的稳定性也是重要的生产工艺课题。

产业链的核心价值量？帽子类似物、工具酶

以 mRNA 疫苗为例剖析产业链环节

mRNA 技术流程主要包括 mRNA 序列克隆至 DNA 质粒、DNA 质粒繁殖、切割出 DNA 模板、IVT（体外转录）合成 mRNA、mRNA 修饰、 mRNA 纯化、微流控、灌装等。根据《新型冠状病毒预防用 mRNA 疫苗药学研究技术指导原则（试行）》，以 mRNA 疫苗为例，将整体生产流程分为 3 个阶段：DNA 质粒模板的制备、mRNA 原液的制备、制剂的生产。

（1）DNA质粒制备及模板线性化：mRNA 的合成是从质粒 DNA（pDNA）生成开始的。利用电流打破细胞膜，并将环状的 pDNA 引入大肠杆菌进行繁殖扩增，菌体裂解后提取并纯化 pDNA，利用限制性内切酶把纯化后的环状 pDNA 切开从而形成线性化 pDNA，之后再进行纯化才可放行。

（2）体外转录、加帽加尾、纯化形成 mRNA 原液：将线性化 pDNA 模板与重组 RNA 聚合酶（T7、T3 或 SP6）和核苷酸（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶）等多种物质在无细胞的生物反应器内混合，从而发生化学酶促反应生产 mRNA，之后采取多种方式进行纯化从而得到 mRNA 原液。

（3）制剂的生产：通过微流控设备精确地控制着 mRNA 原液和脂质流速，将他们混合成脂质纳米颗粒。最后则是成品的灌装及质量控制，贴签形成终产品。

价值量最大环节在于帽子类似物和工具酶

帽子类似物在 mRNA 生产环节价值占比最大，其次是各种工具酶。单剂 mRNA 疫苗的售价 15-20 美金，毛利率 85%左右，则生产成本大约 1-3 美金。其中原材料占比（41.70%-55.90%）最高，其次是设备/耗材（23.90%-31.70%）。而在原材料中，帽子类似物占比 46%、工具酶（包括 T7 RNA 聚合酶、无机焦磷酸酶、RNA 酶抑制剂）占比 29%、核苷酸/修饰核苷酸（NTP）占比 7%、DNA 模板占比 4%、LNP 四种组分占比 5%，其他原材料占比 10%。