醫(yī)藥mRNA產業(yè)鏈深度報告：mRNA迎來歷史機遇，國產力量加速崛起1前沿技術平臺快速發(fā)展，孕育廣闊成長空間mRNA技術發(fā)展歷史悠久，遞交和修飾技術的成熟促使其進入產業(yè)化應用階段。mRNA是由DNA的一條鏈作為模板轉錄而來、攜帶遺傳信息指導蛋白質合成的一類單鏈核糖核酸。1961年mRNA這類生物大分子首次被發(fā)現(xiàn)，之后臨床應用不斷得以拓展，期間以mRNA技術為核心的相關研發(fā)企業(yè)也初見端倪，如CureVac、BioNTech和Moderna等。2015年后，遞送技術與修飾技術的成熟推動其加速發(fā)展，而2020年的新冠疫情使得mRNA疫苗和藥物受到全球廣泛的關注，從而帶動mRNA領域的研究快速發(fā)展。1.1

“萬能鑰匙”mRNA，解碼各類復雜疾病mRNA藥物可以激發(fā)人體自身免疫系統(tǒng)，治療效果顯著。mRNA藥物基本原理是將已修飾的mRNA模板注射到細胞質內，在胞內產生對應蛋白產物，分泌至胞外后可以刺激人體的免疫系統(tǒng)，從而產生免疫反應。該免疫反應主要是通過在mRNA的編碼序列中引入分泌信號實現(xiàn)，常規(guī)的蛋白無法引起類似反應。mRNA可用于表達各類蛋白，引領現(xiàn)代制藥的第三次浪潮，靶點豐富安全性高。mRNA在理論上能夠表達任何蛋白質，因此可以探索治療幾乎所有基于蛋白質的疾病，用于精準的個體化治療。與目前的療法相比，mRNA優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面：1）安全性高：僅在細胞質內表達，無需進入細胞核，效率高，且沒有整合進基因組的風險，免疫源性低，代謝產物純天然，沒有持續(xù)累積毒性的風險；2）靶點豐富：很多難成藥的蛋白或胞內蛋白均可由mRNA編碼表達，且可分泌至胞外、靶向受體或循環(huán)系統(tǒng)，靶向性選擇更加豐富。1.2前瞻性研究迅速崛起，mRNA有望成為下一個萬億市場奠基技術下游應用場景豐富，全球mRNA研究如火如荼。根據(jù)Nature相關統(tǒng)計，截至2021年7月底，全球mRNA疫苗和藥物在研管線共180條，雖大多數(shù)處于早期階段，但其中新冠相關應用僅有22條，其余傳染病、罕見病和腫瘤相關則多達158條，充分說明雖然新冠疫情推動了mRNA技術的研發(fā)，但其應用場景在持續(xù)拓寬，并不局限于新冠領域。綜合考慮臨床管線成功概率、推出時間及潛在市場需求等因素，預計2035年全球mRNA醫(yī)藥市場規(guī)模約230億美元。mRNA全球三大巨頭充分布局各類應用場景，其中免疫領域進展最快。根據(jù)技術手段的不同，mRNA技術的應用領域主要分為：免疫療法、蛋白質替代療法和再生醫(yī)學療法，其中免疫療法中的預防性疫苗和腫瘤免疫是目前的研究熱點。截至2022年4月，按適應癥來區(qū)分，Moderna、BioNTech和CureVac的已上市和在研管線共計43條，其中免疫療法中的預防性疫苗和腫瘤免疫治療分別為19條和14條，蛋白替代療法8條以及再生細胞療法3條。從臨床進展來看，進入II期及以上臨床階段的有11條，且集中于免疫治療領域，相對來說成熟的品種仍然較少，行業(yè)處于快速發(fā)展的初期階段。從三大巨頭的在研管線可以看到，目前僅免疫療法和蛋白替代療法有項目進入臨床II期，再生細胞療法在研管線少且均處于早期階段，因此我們重點討論前兩種mRNA療法的適應癥、與常規(guī)技術比較等。疫苗初露鋒芒，mRNA前沿技術首次得到產業(yè)化驗證。mRNA疫苗具備安全性高、批次間差異小，具有響應快速、廉價量產的優(yōu)勢，因此能大幅節(jié)省時間成本及研發(fā)、生產費用，但mRNA疫苗對于存儲條件要求高，需保存在超低溫環(huán)境。在所有mRNA技術應用場景中，疫苗技術研發(fā)進展最快，目前全球范圍內有輝瑞/BioNtech和Moderna的2款mRNA預防性疫苗獲批或獲得EUA批件。國內mRNA疫苗研發(fā)熱情不減，臨床持續(xù)推進。截至2022年4月，國內mRNA疫苗在研管線有23條，10條為非新冠疫苗相關，顯示mRNA的疫苗應用場景也在不斷拓寬。目前國內雖未有產品獲得正式上市批準，但已經有多個mRNA疫苗候選藥物進入到臨床階段，進展最快的屬艾博生物、軍科院和沃森生物共同研制的ARCoVaX，全球和國內均已進入III期臨床。蛋白替代療法尚在探索中，部分臨床結果顯示應用潛力較大。蛋白替代療法是指利用mRNA表達因為基因突變而缺失的蛋白來恢復患者體內的蛋白水平，目前主要聚焦于遺傳性代謝疾病，大多數(shù)基于mRNA的蛋白治療均在早期（臨床I期及之前）研究，進度最快的是阿斯利康和Moderna共同啟動的AZD8601，其治療策略是通過在局部誘導VEGF-A蛋白的表達，促進支配供血不足的心肌區(qū)域的新血管再生。該療法主要針對II型糖尿病、心臟衰竭和心絞痛三類患者，其中針對II型糖尿病患者的I期臨床數(shù)據(jù)顯示，在給藥后約4-24小時，mRNA治療部位的VEGF-A蛋白水平高于安慰劑治療部位，且瞬時皮膚血流增強，顯示其可能具備促進血管再生的能力。鑒于蛋白替代療法的前瞻性，國內尚無mRNA蛋白替代療法的在研管線公布。復盤抗體藥物的崛起之路，mRNA作為顛覆性技術有望成就下一個萬億市場。RNA是一項跨時代的生物技術，給很多領域帶來了新的革命性的治療方法，我們類比同樣給醫(yī)藥領域帶來重大改革的抗體技術，從抗體藥物的獲批情況來看，大體分為三個階段1）1986-1996年蟄伏期，1986年出現(xiàn)了第一個獲FDA批準的單抗藥物，之后鮮有相關藥物獲批，行業(yè)技術處于儲備階段；

2）1997-2013年爬坡期，期間平均每年有1.65款抗體藥物獲批，趨勢較為平穩(wěn)；

3）2014年至今快速發(fā)展期，截至2021年4月，有65款藥物在此期間獲批，且每年獲批數(shù)量仍呈現(xiàn)上升趨勢，目前總計獲批的抗體藥物數(shù)量超過100款，而且這一數(shù)字還在不斷增加，現(xiàn)在每年獲批的抗體類藥物已經占FDA新藥的近五分之一。類比抗體市場，mRNA市場未來或在萬億以上。根據(jù)BMC相關統(tǒng)計，預計2025年全球抗體藥物市場規(guī)?？蛇_3000億美金，類比至mRNA技術，考慮到治療手段的突破性、新冠疫情的強大助力以及技術更迭加速等情況，我們預計未來mRNA技術支撐的醫(yī)療市場規(guī)?；驅⑦_到萬億以上。2mRNA專利壁壘高，國內專利申請加速突破海外限制2.1國際龍頭搶占核心專利，打造行業(yè)競爭壁壘mRNA技術起始于1987年，但由于其結構在人體內易被降解，成藥性一直難以滿足要求，直到假尿苷替換技術及LNP技術逐步開發(fā)成熟后，工業(yè)化才開始逐步落地。正是由于mRNA結構中的假尿苷替換以及LNP結構對于其整體穩(wěn)定性，安全性以及最終藥效具有顯著的影響，也成為國際龍頭公司專利布局的重中之重。2.1.1mRNA序列專利重點在于尿苷結構調節(jié)人體免疫系統(tǒng)會將未修飾的單鏈mRNA識別為病毒感染的標志，激活下游通路從而阻斷mRNA翻譯。賓夕法尼亞大學的KatalinKariko和DrewWeissman團隊首次發(fā)現(xiàn)，人體免疫系統(tǒng)對于mRNA的識別主要在于識別mRNA序列中的尿苷結構，從而開發(fā)了利用假尿苷替換尿苷技術，不僅能極大地降低mRNA的免疫原性，還能提高mRNA的穩(wěn)定性并增強其翻譯能力，并申請了美國專利授權US8278036B2，該專利目前已被235篇后續(xù)專利引證，體現(xiàn)其在該領域的核心地位。賓夕法尼亞大學隨后將該專利獨家授權給Cellscript公司，Cellscript又將該專利二次授權給Moderna和BioNTech。Moderna為了避免未來的專利糾紛，開發(fā)了利用1-甲基假尿苷替換尿苷的技術，在2014年拿到了使用包括1-甲基假尿苷在內的多種核苷的專利授權，解決了專利部分的隱憂。BioNTech公司則采用降低mRNA分子中尿嘧啶含量實現(xiàn)降低mRNA免疫原性的方式，并布局了一系列代表性專利。2.1.2藥物遞送LNP專利主要涉及化學結構、成分占比和用途LNP作為核酸藥物領域應用最為廣泛的藥物遞送技術，以其優(yōu)良的體內穩(wěn)定性和成藥性被國外的mRNA疫苗研發(fā)三巨頭（Moderna、CureVac、BioNTech）選為mRNA疫苗的遞送載體。目前針對LNP的專利保護主要有3個部分，首先是保護LNP中陽離子脂質的化學結構，也是LNP專利的核心；其次是陽離子脂質與其他成分之間的構成比例，包括不同脂質的比例以及陽離子脂質與mRNA的配比；最后是針對LNP的用途專利。Arbutus公司是國際LNP領域的龍頭公司，其在陽離子脂質及PEG脂質方面的專利覆蓋廣泛且深入，除了覆蓋眾多分子專利外，還包括多種配比專利及應用專利。全球幾大mRNA疫苗研發(fā)公司Moderna、BioNTech及CureVac都曾向Arbutus尋求LNP的專利授權，同時由于Arbutus專利覆蓋的完整性，Moderna此前曾向美國專利商標局申請對于Arbutus部分專利無效化但最終敗訴，由此可以看出LNP專利在mRNA藥物開發(fā)過程中的關鍵作用。目前Arbutus在中國主要申請了7項專利，整體專利覆蓋領域也較為完善，國產廠商如想使用商業(yè)化LNP，一方面可以嘗試獲得Arbutus的授權，另一方面可以從LNP結構研發(fā)入手，打造自主專利壁壘。2.2國產專利申請增速顯著，多點突破海外技術壁壘我國mRNA領域整體發(fā)展時間較美國稍晚，但發(fā)展速度較快，大部分院校及公司基本于2010年以后開始涉足mRNA產業(yè)鏈專利布局。截至2021年，在mRNA相關領域專利中，中國已排在全球第三位，共申請了858項專利（同期全球專利10864項）。3mRNA生產工藝復雜，新興技術有望加速應用mRNA整體生產工藝主要包括質粒原液生產、mRNA原液生產、mRNA制劑制備、mRNA制劑純化、質檢及儲存運輸，mRNA自身存在精準合成難度高、易降解、難保存等特殊性，使得mRNA藥物在過程控制、工程保證、大規(guī)模制備工藝、質量控制與質量體系等多方面存在復雜挑戰(zhàn)。3.1質粒原液生產工藝相對成熟，純度為關鍵指標mRNA藥物生產的第一步為質粒原液的生產，具體生產過程如下：（1）導入質粒的基因片段經過序列修飾后轉染入大腸桿菌并建庫；（2）培養(yǎng)發(fā)酵并通過離心及過濾收集大腸桿菌，利用堿裂等措施破壞大腸桿菌結構將質粒釋放至培養(yǎng)基中；（3）通過離心或過濾進行初步純化，利用超濾切向流過濾進行濃縮；（4）利用膜過濾進行二次純化并利用色譜進行精純；（5）收集后的質粒需要添加限制性內切酶，將模板質粒處理成線性化雙鏈DNA模板，用于下一步mRNA合成。獲得高純度超螺旋質粒為生產關鍵指標。從大腸桿菌中提取的質粒中，DNA會以多種形式存在：超螺旋質粒DNA、開環(huán)DNA、線性DNA和質粒DNA聚集體等，需要的目標產物為超螺旋質粒DNA，用于后續(xù)線性化的質粒超螺旋結構占比需要達到90%以上，然而由于其他DNA雜質也有非常相似的純化特點，因此獲得高純度的超螺旋質粒產物非常有挑戰(zhàn)。3.2加帽加尾為mRNA原液大規(guī)模生產關鍵步驟線性化后的質粒片段利用RNA聚合酶可以通過體外轉錄（IVT）合成mRNA，其主要利用含有T7啟動子或SP6啟動子序列的DNA為模板，在含有T7或SP6RNA聚合酶的條件下，以dNTP為底物合成簡單快速獲得大量的mRNA分子，隨后在DNaseI酶降解DNA模板及純化后，通過在5’端加上帽子結構和3’端加ployA尾加強mRNA的穩(wěn)定性。3.2.1加帽結構有效提高mRNA翻譯效率及穩(wěn)定性真核生物mRNA的5’端通常具有橋接的7-甲基鳥苷(m7G)帽子結構

（

Cap0

），Cap0結構中的第一個碳羥基甲基化后形成Cap1結構(m7GpppmN)。通常情況下，Cap結構可以與真核起始因子4E(eIF4E)在翻譯起始階段相互識別，開啟后續(xù)翻譯過程，同時Cap1結構能夠極大降低mRNA在體內的免疫原性。3.2.2工業(yè)化大規(guī)模加帽技術不斷迭代發(fā)展目前大規(guī)模加帽方法主要有兩種，（1）一步法共轉錄加帽（2）兩步法酶法加帽。一步法共轉錄加帽方法是通過在轉錄過程中添加已加帽的抗逆轉帽類似物在共轉錄過程中實現(xiàn)加帽操作。兩步法酶法加帽通常采用牛痘病毒加帽體系。目前共轉錄加帽主流方法共有三代，第一代是mCap方法，第二代是ARCA方法，第三代是CleanCap技術。其中mCap方法加帽效率在25-40%，產物為Cap0結構

；

ARCA方法加帽效率在50-80%，產物為Cap0結構

；

而CleanCap整體加帽效率相比ARCA更高，為95%，產物結構為Cap1。在兩步法酶法加帽中，利用牛痘病毒加帽酶將7-甲基鳥苷帽結構(m7Gppp,Cap0)加到RNA的5'末端，其結構中包含兩個亞基(D1和D12)，具有三種酶活性(D1亞基具有RNA三磷酸酶和尿苷轉移酶活性；D12亞基具有鳥嘌呤甲基轉移酶活性)。首先RNA-三磷酸酶將pre-RNA的γ-磷酸水解，隨后尿苷轉移酶以GTP為底物形成共價酶-（賴氨酰-N）-GMP中間體，最后RNA（鳥嘌呤-N7）甲基轉移酶以AdoMet為底物將N7位甲基化。3.2.3PolyA加尾修飾調控基因表達PolyA結構可以讓mRNA在細胞中免受核酶的降解，增強mRNA的穩(wěn)定性，同時polyA結構長度可以控制轉錄效率。目前行業(yè)通用PolyA加尾方法主要采用兩種模式：第一種是在質粒DNA模板中添加PolyA結構模板，在mRNA生成過程中直接添加PolyA結構；另一種是使用PolyA加尾酶，其以ATP作為底物，通過模板將腺苷一磷酸加成到RNA分子的3-OH末端。在加尾修飾結束后要進行純化，可以根據(jù)分子特性的不同選擇相應的純化方法，主要通過層析色譜柱工藝對mRNA轉錄產物純化去除污染物和反應物，還可以使用超濾/過濾技術來去除或置換不需要的分子和緩沖成分。3.3微流控技術提升制劑均一性，提高放大生產效率由于mRNA在體內穩(wěn)定性較差，易被體內酶降解，需要采用保護性的遞送材料幫助mRNA實現(xiàn)體內循環(huán)。目前業(yè)界用于mRNA遞送主要采用脂質納米粒

（LipidNanoparticles），陽離子聚合物遞送（Cationicpolymers），多肽納米復合物遞送以及病毒顆粒遞送等。由于LNP具備較為穩(wěn)定的理化性質及生物安全性，目前工業(yè)界較多采用LNP作為mRNA商業(yè)化的首選遞送載體。LNP遞送系統(tǒng)具有兩方面優(yōu)勢，首先可以保護mRNA免受酶降解，其次可以通過一系列細胞內吞機制將mRNA遞送入細胞胞液中，部分LNP表面的載脂蛋白E可以借助細胞表面低密度脂蛋白介導的網(wǎng)格蛋白依賴途徑被細胞內吞進入細胞質中。早期LNP的制作方法主要為較為簡單的薄膜水化，乙醇自組裝方法，隨著生物材料工藝及芯片算法的不斷發(fā)展，微流控技術開始占據(jù)主導地位。微流控技術是指在微米尺度的管道中操控流體的技術，通過對管路和流體的流速進行控制，對溶劑實現(xiàn)快速混合且其可控性高，從而可以連續(xù)快速地生產納米顆粒，避免批次間的質量差異。以目前行業(yè)龍頭PrecisionNanoSystems的微流控方案為例，其利用芯片控制的微流控裝置，將包好RNA的液相層與載體的溶劑層混合兩股層流混合，利用可控制速度裝有混合器的微通道實現(xiàn)快速擴散，極性變化，并且在界面層表面實現(xiàn)mRNA-LNP的自組裝。該方法通常能夠實現(xiàn)均一化的制劑構成，是一種球形和多層脂質體結構。相比較其他方法，微流控方法整體重現(xiàn)性較強，能夠有效加強分子穩(wěn)定性，降低了污染的可能性，有助于臨床前和臨床階段研究的放大生產。3.4質量控制環(huán)節(jié)檢測流程復雜根據(jù)藥典要求，mRNA原液檢測要點超18項，mRNA制劑檢測要點超22項，整體檢測流程較為復雜且成本較高。目前mRNA的檢測項目中技術門檻最高的當屬加帽率的檢測部分，加帽率目前通用的檢測方法為LC-MS，整體檢測流程較為復雜。由于完整的mRNA鏈分子量較高，利用LC-MS難以進行精準定量，故一般采用生物素標記探針利用磁珠吸附mRNA鏈后，實現(xiàn)與雜質的分離，隨后加入剪切酶將mRNA鏈切斷，進而對5’端帽子結構在LC-MS儀器中進行精確定量研究測定。由于不同mRNA藥物都具有特殊的分子序列，故探針需要定制化生產，檢測方法也需要針對不同的mRNA分子專項開發(fā)，整體檢測難度較高。4產業(yè)鏈迎來歷史性發(fā)展機遇，國產力量加速崛起新冠mRNA疫苗是人類首次在體外進行超大規(guī)模mRNA合成與制備并應用于臨床的疫苗，其過程涉及生物、化學、工程等多學科交叉，同時mRNA藥物在過程控制、工程保證、大規(guī)模制備工藝、質量控制與質量體系等多維度具備復雜挑戰(zhàn)。在面對多方位挑戰(zhàn)的同時，對mRNA藥物進行生產成本控制并構建穩(wěn)定的供應鏈成為其是否能夠成功商業(yè)化的關鍵。mRNA新冠疫苗的廣泛關注給mRNA研發(fā)領域帶來的巨大資本投入和時代紅利，產業(yè)鏈有望迎來歷史性機遇，國產產業(yè)鏈力量迅速崛起。4.1關鍵原材料及耗材的國產供應鏈完善，技術水平持續(xù)提升mRNA上游原材料主要包括DNA設計、酶、脂質以及分離純化材料等，隨著國內mRNA應用端逐步由疫苗向其他類型拓展，以及國內mRNA產品臨床研究進展的不斷推進，上游原料有望加速放量，后續(xù)有mRNA產品進入商業(yè)化生產階段后，對上游供應鏈的需求將大幅增加。以輝瑞疫苗BNT162b2在IVT端的原材料成本結構為例，RNA帽類似物，酶，尿苷原料，PEG-脂質及陽離子脂質在該類成本中占比較高。此外，在純化階段使用的切向流過濾膜包等也具有較高的技術壁壘和成本占比。（1）國內在酶，尿苷原料，RNA帽類似物等原料方面均具有較為完善的產業(yè)鏈，目前包括兆維科技，瀚海新酶，諾唯贊等國內mRNA上游公司均能夠提供mRNA合成所需的完整試劑。兆維科技致力于生產和銷售核糖核苷、核糖核苷酸、修飾性核苷（酸）和亞磷酰胺等各個系列產品。公司擁有亞洲最大的亞磷酰胺單體的生產線，進入諸多國際知名生物醫(yī)藥企業(yè)的供應商名錄。同時國內上游公司不斷進行新技術探索及專利布局。瀚海新酶近日公布了CN114250208A專利，一種耐高鹽高活性DNaseI突變體的制備及應用，相比較與野生型DNaseI相比，比酶活均大于20000U/mg，在200mMNaCl條件下基本都仍能保持40％以上的活力，且在50mMNaCl的低鹽濃度下活性不受明顯的影響，具備較好的穩(wěn)定性。翌圣生物目前同樣獲得CN11377（2）國產LNP生產廠商逐步掌握產業(yè)先進技術目前LNP中含有可電離的陽離子脂質（ionizablelipids），膽固醇（Cholesterol）、輔助磷脂(Helperlipid)，聚乙二醇修飾的磷脂（PEG-lipid）、帶負電的mRNA。陽離子脂質的分子結構類似于天然脂質的分子結構，不同之處在于前者包含可離子化（陽離子）頭部基團，通常為一個或多個叔胺，季胺基結構，可以通過質子化實現(xiàn)在生理pH條件下帶正電。利用mRNA本身的負電性，通過正負電性吸引將mRNA結合在LNP內部親水結構中。聚乙二醇（PEG）-脂質：主要起到在納米粒合成過程中控制納米粒大小，由于所有級別的聚乙二醇均溶于水，聚乙二醇相互間以及與水可以任意比例混合，故聚乙二醇結構在水相中可形成水花層，能夠有效防止納米顆粒在儲存中聚集，同時保護顆粒不被體內的免疫蛋白檢測。輔助脂質（Helperlipid）：以DOPE，DSPC及DOPC脂質為代表，該類通常為磷脂類結構，在制備陽離子脂質體過程中具有非常強的協(xié)同作用，主要包括

（1）中性不穩(wěn)定助類脂：起穩(wěn)定雙層膜和降低陽性成分毒性的作用。（2）干擾類脂膜，使內涵體膜不穩(wěn)定：在細胞內能促進DNA、RNA的釋放，同時輔助陽離子脂質體的細胞滲透。（3）能夠確定核酸+脂質體復合物的形態(tài)，可是脂質體結構從多相Lα相躍遷到六角HII相，使復合物具有良好的可融性，能提高跨膜效率。國內目前以鍵凱科技為代表，目前已經具備提供工業(yè)化生產用的LNPs遞送系統(tǒng)輔料，包括SM-102，M-DTDA-2000在內多種陽離子脂質及PEG化的陽離子脂質。