醫(yī)藥mRNA行業(yè)深度報告：mRNA技術大有可為

醫(yī)藥mRNA行業(yè)深度報告：mRNA技術大有可為

01關鍵技術突破成就全新藥物形態(tài)

RNA在遺傳信息流中承上啟下

DNA：遺傳信息的儲存和讀取，其功能主要依賴于一級結構（4種堿基排列組合而成的一維序列），二級結構（雙螺旋）和高級結構（超螺旋/染色體結構）主要維持結構穩(wěn)定；

蛋白質：具有生物化學功能的活性物質，一級結構（20種氨基酸排列組合而成的一維序列）和高級結構共同決定功能；

RNA：連接遺傳信息和功能蛋白的橋梁，兼具信息（攜帶遺傳信息）和功能（編碼RNA轉錄/非編碼RNA調控）特征，是一類全新的藥物形態(tài)。

①序列優(yōu)化：提高mRNA翻譯性能

非翻譯區(qū)（UTR）：mRNA編碼區(qū)上游（5’UTR）和下游（3’UTR）序列，供核糖體識別、結合、起始翻譯的位點；

5’UTR：通常在篩選天然存在的穩(wěn)定/高表達序列，例如BioNTech改造了來自人α-珠蛋白血紅蛋白A1（HBA1）和血紅蛋白A2（HBA2）的上游編碼區(qū)。

3’UTR：通常與mRNA穩(wěn)定性有關，同時存在microRNA結合位點可能造成抑制翻譯/RNA降解，與5’UTR類似選取天然存在的序列進行一定修飾，例如BioNTech使用了人源AES/TLE5的3’UTR片段并引入兩個點突變。

編碼區(qū)（CDS）

密碼子（codon）：提升mRNA翻譯效率，通常用同義的頻繁密碼子和在靶細胞內tRNA豐度更高的密碼子取代稀有密碼子；

mRNA二級結構：強化核糖體對序列首個AUG的識別，減少掃描遺漏（leakyscanning），避免復雜二級結構阻礙核糖體進入等；

終止密碼子：在編碼區(qū)末端串聯(lián)多個終止密碼子，確保翻譯在正確位置終止，如BioNTech設計了2xTGA，Moderna使用了“TGA+TAA+TAG”；

蛋白質高級結構：優(yōu)化目標蛋白氨基酸序列，使其能夠高效折疊或形成特定結構，如BioNTech和Moderna都采用了S-2p的Furin酶切位點突變設計。

②分子修飾：提升mRNA穩(wěn)定性

加帽（5’Cap）：真核生物mRNA在5’端有一個由三磷酸橋接的7-甲基鳥苷(m7G)帽，能夠影響核糖體等翻譯元件招募，從而調控翻譯效率；免疫系統(tǒng)（innateimmunesensors）對不同Cap結構識別不同，從而改善mRNA穩(wěn)定性。目前IVT（體外轉錄）生產的mRNA是無帽的5’三磷酸化RNA，通常用帽結構類似物共轉錄加帽或單獨使用加帽酶進行轉錄后加帽。

Poly-A尾巴：減慢RNA核酸外切酶的降解過程，增加穩(wěn)定性，延長體內半衰期并提高mRNA的翻譯效率。

核苷修飾：人體對外源mRNA的免疫應答主要和尿苷（部分由尿嘧啶組成）有關，免疫系統(tǒng)會將未修飾過的單鏈RNA識別為病毒感染的標志，激活Toll樣受體（TLR3/7/8）和RIG-I受體通路從而阻斷mRNA翻譯。Moderna和BioNTech都利用假尿嘧啶(Ψ)替代尿嘧啶能夠減少免疫系統(tǒng)對mRNA的識別（CureVac用序列優(yōu)化的方式減少尿嘧啶數(shù)量）。

③mRNA合成工藝包括體外轉錄和純化

體外轉錄：以DNA為模板，dNTP（脫氧核苷三磷酸）為原料，通過T7/SP6/T3RNA聚合酶（polymerase）進行體外轉錄(IVT)合成mRNA。通過一步法加帽，在IVT合成體系中加入GTP（三磷酸鳥苷），利用帽子（5’cap）作為合成起始點；或兩步法加入牛痘加帽酶（VCE）分步進行加帽。

mRNA純化：終產物中包含模板DNA、酶、短終止的RNA和dsRNA，其中痕量的dsRNA會引起較強的固有免疫反應（innateimmunity）影響疫苗的效力，并且分子量與全長ssRNA相似，通常使用切向流過濾和柱層析結合的方式去除。

④遞送系統(tǒng)：在脂質體基礎上不斷改良工藝

mRNA在體內穩(wěn)定性差，容易被RNase降解，序列優(yōu)化、堿基修飾以及加帽/尾對降解的保護有限。同時，外源核酸片段只有進入細胞內才能翻譯成蛋白質發(fā)揮功能，因此急需高效的遞送手段。嘗試了nakedmRNA、慢病毒（Lentivirus）為代表的的病毒載體、樹突細胞（DendriticCell）為代表的的細胞載體、聚乙烯亞胺（PEI）為代表的高分子聚合物、魚精蛋白（Protamine）為代表的蛋白質載體后，業(yè)界逐漸將目光聚焦于脂質體遞送系統(tǒng)。2018年FDA批準首個LNP遞送的siRNA藥物Onpattro（商品名Patisiran），2020年Pfizer/BioNTech和Moderna的兩款應用LNP遞送系統(tǒng)的新冠mRNA疫苗上市。

⑤mRNA-LNP封裝是大規(guī)模生產瓶頸之一

mRNA-LNP的制劑工藝在實驗室（microfluid）和工業(yè)生產（T-junctionmixing）場景相似，其基本原理均為溶解在乙醇中的脂類與溶解在水相中的mRNA溶液快速混合后，在壓強和pH值變化中mRNA分子和可電離脂質自組裝形成納米顆粒。在這一過程中可以通過控制水相和脂相流速、mRNA與脂類比例、PEG-lipid含量等條件從而改變終產物的形態(tài)和大小。

小結：多項關鍵技術突破成就全新藥物形態(tài)

RNA作為一類全新藥物形態(tài)的設想始于1990s，最初的十余年里，mRNA被認為過于不穩(wěn)定且高純度體外合成成本高昂，大企業(yè)大多淺嘗輒止（Merck短暫評估m(xù)RNA流感疫苗后轉投DNA疫苗和其他載體介導的遞送系統(tǒng)）。隨著序列優(yōu)化、分子修飾、體外RNA合成、遞送系統(tǒng)和脂質體封裝等關鍵技術逐步突破，以兩款新冠mRNA疫苗獲批為標志，mRNA藥物正式走向臺前。同時，圍繞著這些關鍵技術也形成了相應的專利和工藝技術壁壘。

02mRNA療法應用場景豐富

預防性mRNA疫苗：更快、更強

研發(fā)生產更快：傳統(tǒng)疫苗依靠細胞培養(yǎng)（雞胚或哺乳動物細胞），研發(fā)和生產過程復雜，通?？砷L達數(shù)月；mRNA疫苗根據(jù)病毒序列設計優(yōu)化，由DNA模板體外合成，研發(fā)和生產更快，例如Moderna的新冠mRNA疫苗從獲得病毒到生產出臨床樣品僅需42天，經(jīng)過優(yōu)化后Pfizer/BioNTech的生產流程可以控制在一周以內。

免疫原性更強：mRNA疫苗在人體自身細胞內直接表達抗原蛋白，胞內和分泌蛋白分別通過組織相容性抗原復合物（MHC）I型和II型分子呈遞，同時激活CD8+和CD4+T細胞，通過激活細胞毒性T細胞分泌細胞因子、B細胞產生中和抗體以及激活吞噬細胞等方式清除病原體。同時，mRNA和LNP脂類也能通過“自佐劑”效應進一步增強免疫原性，從而提升疫苗的保護效力。

mRNA可應用多種腫瘤免疫機制

抗原呈遞：通用型TAA（腫瘤相關抗原）/TSA（腫瘤特異性抗原），個性化neo-antigen（新抗原）；

免疫增強：Toll樣受體激動劑/佐劑效應；

細胞因子：表達細胞因子/趨化因子等，誘導APC成熟從而激活T細胞介導的免疫，同時改善腫瘤微環(huán)境，將“冷”腫瘤變“熱”；

抗原受體：表達CAR/TCR等淋巴細胞表面抗原受體。

抗體和蛋白替代療法

mRNA介導的抗體和蛋白替代：個體細胞直接作為生物反應器治療用蛋白藥物大多采用原核（大腸桿菌）/真核（昆蟲/哺乳動物細胞）細胞表達，為保證蛋白質的正確空間構象和翻譯后修飾以及提高表達效率，對于單個藥物需要較多前期序列優(yōu)化，以及后期復雜的修飾和純化流程。相比之下，將編碼蛋白質藥物的遺傳信息直接遞送，用個體細胞作為反應器進行原位表達則可以加速成藥流程。

03市場空間廣闊，海內外群雄逐鹿

新冠mRNA疫苗商業(yè)化加速

Pfizer：和BioNTech合作研發(fā)的新冠mRNA疫苗BNT162b2Q2單季度銷售額達到78.78億美元，2021H1銷售額113億美元，預計今年將分發(fā)21億劑，全年銷售指引從260億美元上調到335億美元。

Moderna：新冠mRNA疫苗mRNA-1273Q2單季度產量達到~2億劑，全球銷售額達到41.97億美元，2021H1銷售額59.3億美元，預計今年將分發(fā)8-10億劑，全年銷售指引維持200億美元；2022-2023年在手訂單~120億美元，可選擇訂單~80億美元。

mRNA藥物潛在市場空間廣闊

假設條件：1）新冠mRNA疫苗：短期貢獻大量業(yè)績（首輪免疫）后緩慢下降至較低的穩(wěn)態(tài)水平（加強免疫）；2）其他傳染病疫苗：布局流感疫苗以及RSV等尚無商業(yè)化產品領域，假設遠期mRNA疫苗占比達到20%；3）腫瘤免疫：以免疫檢查點抑制劑和CAR-T細胞療法為代表的腫瘤免疫療法占全部腫瘤藥物市場比例約20%，mRNA提供全新治療機制，可作為現(xiàn)有療法的補充和拓展，假設遠期占比10%；4）抗體和蛋白替代：假設遠期占比~8%。

Pfizer持續(xù)擴大mRNA版圖

Pfizer在二季度財報交流會上公布了mRNA戰(zhàn)略規(guī)劃。

新冠疫苗：鞏固核心品種，推進監(jiān)管全面批準加強針以及針對突變株和下一代新冠疫苗臨床；

預防性疫苗：2021Q3啟動modRNA流感疫苗臨床，未來將外延至以病毒疫苗為主的其他傳染病疫苗；

罕見病和腫瘤：尋求收益風險比率較好的適應癥炎癥和免疫系統(tǒng)疾?。旱却踩愿玫倪f送系統(tǒng)從而推進長期用藥的適應癥

中國企業(yè)積極布局創(chuàng)新技術

新冠疫情爆發(fā)以來，國內上市制藥企業(yè)也掀起與mRNA公司合作開發(fā)疫苗的熱潮，研究領域以新冠疫苗為主，兼顧其他傳染病、腫瘤免疫以及罕見病。新冠疫苗方面，目前海外兩款產品實現(xiàn)商業(yè)化，國內沃森/艾博/軍科院ARCoV處于臨床III期，斯微生物和珠海麗凡達處于臨床I期，研發(fā)進度緊跟第一梯隊；其他研究領域海內外大都處于臨床前/早期階段，國內疫苗行業(yè)有望同臺競爭。

04他山之石：看海外龍頭管線布局和發(fā)展戰(zhàn)略

行業(yè)處于發(fā)展早期階段，頭部企業(yè)研發(fā)持續(xù)高投入

mRNA發(fā)現(xiàn)于1961年，在動物體內注射mRNA可以表達蛋白和誘導免疫應答的現(xiàn)象分別發(fā)現(xiàn)于1990和1993年。CureVac作為海外三巨頭中最早成立的企業(yè)，創(chuàng)立于2000年，BioNTech和Moderna分別成立于2008和2010年，其他mRNA疫苗企業(yè)諸如Arcturus和eTheRNA成立于2013年、TranslateBio成立于2016年，大多距今僅5~10年。行業(yè)處于由實驗室研究向醫(yī)藥工業(yè)產業(yè)化發(fā)展的早期階段，頭部企業(yè)著眼于建設研發(fā)平臺、篩選高效的修飾方法和遞送系統(tǒng)、工藝放大以滿足規(guī)?；a、發(fā)現(xiàn)藥物并向臨床中后期推進等，研發(fā)投入持續(xù)高增長，例如Moderna過去五年研發(fā)支出就接近40億美元。

技術是行業(yè)發(fā)展核心驅動要素

修飾和遞送是解決mRNA成藥的關鍵技術，各家企業(yè)在早期探索階段都走過一些彎路。CureVac最早使用帶正電的魚精蛋白遞送未修飾mRNA的第一代狂犬疫苗CV7201就遇到免疫原性不佳的問題，從Acuitas和Arcturus引進LNP遞送系統(tǒng)后開發(fā)的第二代狂犬疫苗CV7202則成功達到WHO中和抗體滴度標準。

傳染病領域是短期突破的重點布局方向

現(xiàn)階段mRNA修飾技術和遞送系統(tǒng)仍沒有完全解決mRNA本身免疫原性以及長期大劑量使用的安全性難題，傳染病疫苗接種劑量小、頻次低以及需要激活自身免疫應答等特點恰好做到了揚長避短，兩款新冠mRNA疫苗所取得的巨大成功也驗證了這一方向的可行性，因此短期來看，新冠和流感得到了海外mRNA企業(yè)的密集布局。

海外形成“兩超多強”格局

Moderna和BioNTech/Pfizer依靠新冠mRNA疫苗商業(yè)化獲得了可觀的現(xiàn)金流和大規(guī)模生產能力，在各自擅長的傳染病、腫瘤免疫、罕見病替代療法等方向進行了密集的管線布局且進度領先；“Tier2”企業(yè)如CureVac和TranslateBio/Sanofi采取“大而全”的跟進策略，也有如Arcturus和eTheRNA等依托自身特色技術/平臺，專注于細分領域，與大廠展開差異化競爭。

05國內優(yōu)秀mRNA企業(yè)不斷涌現(xiàn)

艾博生物

公司概況：2019年成立于蘇州，致力于基于核酸(siRNA,mRNA,DNA)的新藥研發(fā)，廣泛布局癌癥和傳染病。

創(chuàng)始團隊：創(chuàng)始人英博博士曾在Moderna擔任高級科學家及項目負責人，負責公司腫瘤免疫制劑團隊搭建和研發(fā)基于mRNA的免疫療法藥物，擁有多年的核酸藥物研發(fā)經(jīng)驗。

技術平臺：擁有自主知識產權的mRNA和納米遞送技術平臺，可生產高純度mRNA；公司自主研發(fā)的動態(tài)精準混合技術可適用于納米脂球的工業(yè)化生產。

新冠疫苗：艾博生物聯(lián)合沃森生物、軍事科學院醫(yī)學研究院共同研發(fā)新冠mRNA疫苗（ARCoV）。2021.05啟動全球多中心III期臨床，預計入組28000人；2021.07.21取得國內III期臨床注冊，預計入組2000人；2021.09.01在墨西哥和印度尼西亞取得III期臨床批件。2021.07艾博生物宣布建成了中國首個符合GMP標準的mRNA疫苗生產基地，預計年產能將達到4000萬劑。

斯微生物

公司概況：2016年5月成立于上海張江，2017年獲得休斯頓衛(wèi)理會醫(yī)院（HoustonMethodistHospital）授權LPP遞送平臺全球獨家商業(yè)化權益，2018年建成mRNA生產中心，完成mRNA合成平臺驗證、納米制劑產業(yè)化生產驗證。

創(chuàng)始團隊：創(chuàng)始人兼CEO李航文，美國德州大學安德森癌癥中心博士，在RNA治療、癌癥治療和免疫治療領域擁有近20年的研究經(jīng)歷，美國羅斯維爾癌癥中心和上海同濟大學附屬東方醫(yī)院擔任助理教授；創(chuàng)始人唐定國教授為原MD安德森癌癥中心終身教授、羅斯維爾癌癥中心藥理及臨床治療系主任、美國AAASFellow(美國科學促進會fellow/院士)；聯(lián)合創(chuàng)始人沈海法為康奈爾大學休斯頓衛(wèi)理會醫(yī)院副教授、著名癌癥納米醫(yī)學專家。

技術平臺：LPP（lipopolyplex）納米遞送平臺是一種以聚合物包載mRNA為內核、磷脂包裹為外殼的雙層結構。公司基于LPP遞送系統(tǒng)廣泛布局癌癥、傳染病、蛋白缺陷類疾病和遺傳病等治療領域。

新冠疫苗：2020年6月，與西藏藥業(yè)合作就新冠疫苗、結核疫苗及流感疫苗開展合作，斯微生物獲得3500萬元預付款及最多3.51億元的里程碑付款，西藏