成功對抗新冠肺炎的mRNA疫苗是如何製造的?

根據世界衛生組織的資料顯示(2022/02/28),新冠肺炎全球總感染數量超過4億,死亡人數接近6百萬人,而新冠肺炎疫苗的施打也達到超過100億劑並已經有大約40億人口是已接受完整的疫苗施打.目前美國藥檢局所認可通過的新冠肺炎疫苗中,最主要的就是新型mRNA的疫苗,由輝瑞和莫德納兩間公司所研發生產,並且莫德納於2022年2月宣布將在台灣成立子公司,將mRNA技術移轉給台灣子公司以生產mRNA疫苗.那mRNA疫苗的生產流程是什麼呢?讓我跟大家介紹一下.

圖一,基因治療的機制:DNA轉錄為RNA,而RNA可以轉譯為蛋白質

首先,我們需要先了解一下什麼是mRNA,基本上我們應該很常聽到基因或是染色體,染色體是在我們細胞的細胞核內由DNA和蛋白質所組成,而基因就是這些DNA片段所控制的功能部分,並且主要控制的機制是利用DNA轉錄成mRNA再轉譯成為蛋白(圖一),因此mRNA在基因表現上扮演著非常重要的角色!為了製造mRNA,我們需要大量生產DNA的模版,而簡單的方法是將帶有DNA模板的質體(plasmid)放入改良的大腸桿菌中(圖二),利用大腸桿菌(E coli)的快速生長,取得大量的質體 ,並將我們需要的DNA模板切割出來.而當我們取得足夠的DNA模板後,我們就可以利用體外轉錄(in vitro transcription, IVT)的技術,將DNA轉錄成RNA,並加上5’端帽 (capping)和多聚腺苷酸尾(poly-A tail)(圖三),已形成我們所需要的mRNA; 其實IVT的過程是很複雜的,我現在簡單敘述幾個困難的點,第一,我們需要T7 promoter進行IVT與特殊序列以加上5’端帽的反應,第二,DNA的序列需要進行優化,第三,在我們所需的DNA序列前後,我們需要加上5’端和3’端的非轉譯區(untranslated region, UTR),雖然非轉疫區並不會被轉譯成蛋白,但是這些片段可以影響mRNA在細胞內的作用,因此好的非轉譯區是非常重要的,並且很多公司將其視為機密資訊,最後就是5’端帽的影響,在莫德納和輝瑞的疫苗中,都是使用一家mRNA生技公司(Trilink)的5’端帽,以有效降低人體免疫系統對這些外來mRNA的攻擊並提高mRNA的效果,因此整個mRNA的製造過程是非常複雜,我之後會再寫一篇好好介紹現在的mRNA製造技術.

圖二,DNA模板量產圖解
圖三,RNA結構

接著,在純化過程後,我們就可以使用這些mRNA以及類脂肪化合物材料來製作,脂質奈米粒子,在之前的基因治療介紹中,我曾經提過脂質奈米粒子的形成主要是利用酸性條件下,帶正電的材料和帶負電的mRNA形成奈米等級的粒子,由於利用靜電相吸的原理,所以混合就是一件很重要的事情,為了完美的混合,我們會使用微流體裝置(microfluidic device),並在裡面加入微小混合器(micromixer),其實就像是在停車場裡的減速帶一般,在流體經過微小混合器的同時(圖四),產生出混沌混合(chaotic advection),幫助類脂肪材料的有機層(organic phase)和含mRNA的水層充分混合,形成小於100奈米的脂質奈米粒子,以避免再打入人體後被肝臟過濾掉太多的奈米粒子.接著又是一個很重要的純化動作,由於我們要輸送的是很容易被水解的mRNA,因此我們不希望引起太多不必要的免疫反應,然而在製造過程中的雜質去除就是一件非常重要的事情,能夠提高純度排除雜質,也能夠好好降低疫苗施打的副作用和死亡率.

圖四,微型流體裝置,包含微小混合器,用來製作脂質奈米粒子

雖然整個mRNA疫苗製造的過程看起來很簡單,但是裡面的學問是非常地大,尤其是需要施打進人體需要的條件也會變得更為嚴苛,因此這邊可以分為兩個面向來提供給想投資mRNA技術的公司或台灣政府,以及想加入這個領域的研究學者或是學生一些建議:針對台灣政府和公司,由於莫德納即將設立子公司在台灣,並且將在台灣進行許多mRNA藥品的製造,我認為需要結合台灣的優勢,將半導體製程的技術拿來開發新的製程,提高脂質奈米粒子的形成效率以及其產能,而針對想加入的學者們,這個領域還有很多東西可以做,比如帶正電的材料,更好的非轉譯序列,和優化的mRNA序列等等,都是許多台灣學術界本身的強項,可以加以利用,加速台灣基因治療的研發能力.結論,目前基因治療會是未來生醫產業很重要的一環,希望台灣可以藉由自己的半導體製程優勢以及材料開發的強項好好加強生技產業的發展,成為亞洲生技的強國.

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