mRNAワクチンとその先にあるプロセス開発への挑戦

2020年にCOVID-19のパンデミックが世界を席巻したとき、バイオ医薬品業界はワクチン開発に精力的に取り組んでいました。その中で登場したのが、モデルナやファイザー・バイオテックによるメッセンジャーRNA、つまりmRNAを使ったワクチンでした。mRNAはもともとがんワクチンとして研究されていたが、分布の特異性や体内での安定性に問題があり、業界への浸透は遅れていました。これらの制約により、mRNAワクチンは何十年もの間、後回しにされたままでした。

そして現在、mRNAワクチンは、医療の未来を変える画期的な技術として一躍脚光を浴びています。しかし、mRNAワクチンや治療法を効率的かつ効果的に開発するには、科学界はまだ高いハードルに直面しています。患者ケアにおけるmRNAの可能性を実現するには、ボトルネックを解消し、この成長市場セグメントを支援するための主要分野と戦略に焦点を当てることが必要なのです。

mRNAへの関心の高まり

COVID-19が大流行するまで、多くの人がmRNAについて知りませんでしたが、研究者は30年近く前からRNAを用いたワクチンや治療薬の機能を研究してきました。mRNAの可能性は、1990年代にハンガリーの科学者Katalin Karikóによって報告されました（1）が、合成RNAに対する身体の免疫反応により、アイデア以上の成果を上げることは難しいことが判明していました。Karikóは、免疫学者のDrew Weissmanとともに、修飾ヌクレオシドをmRNAに組み込むことでこのハードルを乗り越え、COVID-19で開発したワクチンに使用するための基礎を築きました(1)。

Moderna（モデルナ）とPfizer-BioNTech（ファイザー）のワクチンは、バイオ医薬品業界の新時代の幕開けに過ぎないのです。2019年、つまりCOVID-19が発生する直前、mRNAワクチンおよび治療薬市場はほぼ6億米ドルと評価されました(2)。現在、この数字は2026年までに29億1190万米ドルに達すると予測されており（2）、mRNAに基づく155の治療法が、今日の臨床パイプラインにすでに存在しています（3）。

mRNAに注目する3つのパラメーター：

GeneLeap Biotech社のmRNA開発アソシエイトディレクターであるJing Zhu博士は、Moderna（モデルナ）ワクチンとPfizer-BioNTech（ファイザー）ワクチンの成功は、同社の将来計画に大きな変化をもたらしたと述べています。「昨年、GeneLeap Biotechは、当社のパイプラインにあるワクチンと治療法の開発に関して、3つの分野に重点を置いていました。AAV（アデノ随伴ウイルス）、オリゴヌクレオチド、そしてmRNAです。しかし、COVID-19ワクチンの成功により、私たちは戦略的にmRNAに主力を移しました。従来の手法ではできないことをする力があるだけでなく、mRNAに必要な開発期間や投資は、他の生物製剤に比べてはるかに少なくて済みます。」 と博士は説明しています。

2020年におけるmRNAの成功の影響は、バイオ製薬業界にプロセス開発支援と製造の専門知識を提供することを目的とした英国高価値製造ネットワークの一部であるプロセスイノベーションセンター（CPI）にも及んでいます。2020年、CPIは英国政府によるCOVID-19に対する迅速なワクチン開発の支援で重要な役割を担いました。そのため、自己増幅RNA（saRNA、mRNAの一種）に基づくインペリアル・カレッジ・ロンドンのワクチン候補のためのスケーラブルな製造ソリューションを開発するワークストリームを主導し、英国におけるCOVID-19変種mRNAワクチンライブラリーの開発を支援するために2021年の早い段階で500万ポンドを獲得しました（4,5）。

「パンデミック以前、CPIは脂質ナノ粒子の研究を行っていました。また、他の企業や組織と協力して無細胞発現プラットフォームを開発し、現在のような体制を整えました」とCPIのチーフ・テクノロジストであるJohn Liddell博士は述べています。「ワクチンとしてのmRNAの魅力は、非常に強力であり、大規模な製造設備を必要とせず、少量から大量のワクチン製品を生成できることです。また、酵素合成による転写収量や反応性が高く、数時間で1リットルあたり4〜5グラムを達成することも可能です。これらの利点から、新しいmRNAワクチンを製造するのに必要な能力と原材料を利用できる企業であれば、他のアプローチではかなり時間がかかるのに対し、数週間で製造できることになります。」

mRNAの特性は、感染症への迅速な対応や、バイオファーマで注目されている精密医療（個別化医療）に適していますが、それは業界が現在のmRNAプロセス開発の課題を克服できる場合に限ります。

これから向かう先とは？

mRNAが現代医療にもたらす意味は大きいが、その能力を高めることは、モノクローナル抗体（mAb）や他の遺伝子治療用に設計された従来の手法に頼るのではなく、新たな開発ツールボックスを確立することを意味します。「RNAはタンパク質の産物と比べて、数桁も分解されやすい。RNase（リボヌクレアーゼ）による分解を非常に受けやすいのです」とLiddell博士は説明しています。「RNase活性はどこにでもあるもので、気づかないうちにすべての製品を破壊してしまうのです。そのため、mRNAを用いた製品の開発・製造では、RNase活性を除去する必要があり、タンパク質を扱う場合とは大きく異なります。mRNAの場合は、20年以上の知識が蓄積されているという利点がありますが、mRNAの場合は、まだ学ぶべきことがたくさんあります」

mRNAの開発と製造に関連する多くの課題は、業界が低い力価や低い精製収率を克服するのに苦労し、コストと効率の悪い商業生産につながったmAbの初期を彷彿とさせるものです。このような生産上の課題を克服するために集中的に努力した結果、mAbはバイオ医薬品の中で最も急速に成長した製品になりました(6)。プロセス開発における一貫性は、mRNAを前進させる上で重要な要素になると思われます。「今日、mRNAに使われているプロセスは、すべて独立した開発者が、それぞれの技術や知識を応用して作り出したものです」とLiddell博士は話しています。 「COVIDワクチンの製造方法はインフルエンザワクチンと同じであるため、さまざまな分野での標準化が必要である」ということです。mRNAプロセスの開発およびスケールアップにおける主な課題の1つは、組換えタンパク質と比較して比較的少量でサイズが大きいmRNAに適合する専用の装置や消耗品がないことです。また、mRNAプロセスのスケールアップに関する経験や知識が不足していることに加え、規制の不確実性を認識していることも挙げられます。

mRNAプロセス開発の課題に迫る

mRNAのプロセス開発（Fig 1）をより詳細に見ていくと、いくつかの改善点が見えてきます。

Fig 1. mRNAの製造工程 直鎖化したプラスミドDNAを鋳型にmRNAを転写し、捕捉、濃縮、脂質ナノ粒子への封入、精製を行い、最終的に医薬品としてパッケージングする。

プラスミドの供給

pDNAは、バイオファーマのもう一つの成長分野であるウイルスベクターベースの治療薬の製造にも需要があり、GMP品質のpDNAの供給は大きな負担になっています。CPIはpDNAを製造する企業と長年の契約を結んでいますが、GeneLeap Biotechのような新興企業は、競争が激化する環境下で必要な材料を得るために苦労しています。Liddell博士は、解決策の可能性を強調しています。「DNA鋳型の製造については、ローリングサークルDNA増幅法など、pDNAの生成に代わる無細胞技術が数多くあり、工程の時間短縮と製品の品質向上に非常に有望だと思われます」と、Liddell博士は述べています。「遺伝子治療やmRNAのアプリケーションをサポートするために、プラスミドの製造、特にGMPへの対応に大きな圧力がかかっています。したがって、このようなサプライチェーンの問題から、ローリングサークル増幅法などの代替法は、その利用が加速されるかもしれません」

In vitroトランスクリプション

pDNAは、大腸菌を用いた発酵プロセスで製造された後、採取、精製、直鎖化、そして再度精製されます。得られた直鎖状pDNAは、酵素を用いた体外転写（IVT）の鋳型となり、目的のmRNA分子を得ることができます。

現在、mRNAのプロセス開発において、IVTはコストドライブのステップとなっています。「IVTは製品を生成するものですが、非常に複雑なステップです。mRNAを合成するために、DNAテンプレートに加えて、酵素やヌクレオチドなど、多様な成分を注意深く加える必要があります」とLiddell博士は述べています。さらに、「mRNAの5'末端に付加されるキャッピング試薬も必要です」。収量と品質を最適化するために、これらの異なる構成要素のプロセス最適化には、通常、実験計画法のアプローチが用いられます。現在、反応はバッチ式であるが、高価な原料の在庫を減らすために別の反応器設計を考案し、最終的には連続反応スキームに移行することも可能である。これは開発が難しいかもしれませんが、全体的な生産性に大きな違いをもたらす可能性があります。」

Zhu博士によると、さらなる最適化が必要なため、GeneLeap BiotechのmRNAを用いた研究において問題とコストが発生しているといいます。「つまり、あるベンダーのT7を使ってIVTシステムを最適化しても、別のベンダーに変えたらまた最適化しなければならないのです。そのため、信頼できるベンダーからの持続的な供給は、我々にとって非常に重要なのです。」

また、mRNAの特性に合わせた機器も欠かせない。「アップストリーム工程では、無細胞発現プラットフォーム用に設計された装置が必要です」とZhu博士は付け加えます。「例えば、ある種のインラインモニタリングは、mRNAのモデルによって異なるさまざまなパラメータをモニタリングすることで、スケールアップに役立ちます。」

精製の課題

もう一つ複雑なのは、mRNA分子の不純物プロファイルで、プロジェクトごとに異なるため、ケースごとに異なる精製手順が必要になります。「mRNAは30～50ナノメートルという非常に大きな分子で、タンパク質のサイズをはるかに超え、ウイルスベクターに匹敵する大きさです。つまり、従来のクロマトグラフィー樹脂とはうまく作用せず、表面吸着しか得られない可能性が高いのです」と、Liddell博士は説明しています。

IVT工程で得られるmRNAの不純物プロファイルはさまざまであるため、プロセス開発研究者が分子の特性に基づいてメディアをミックス＆マッチできるような精製技術のオプションが必要とされるのです。Zhu博士は、GeneLeap BiotechがオリゴdTベースの精製プラットフォームをmRNAに使用した社内事例を紹介しています。「いくつかのプロジェクトでは、我々が扱うmRNAは非常にクリーンで、IVT後の純度プロファイルは90%以上でした。そこで、TFF（タンジェンシャルフローろ過）やSEC（サイズ排除クロマトグラフィー）を適用して、わずかに残った不純物を除去しています」と博士は説明しています。「他のプロジェクトでは、不純物プロファイルがより複雑で、共通の精製プラットフォームを見つけることは予想以上に困難でした。オリゴdTを媒介とした精製は、多くの場合うまくいきます。しかし、一部のmRNAバリアントでは、非常に強い二本鎖RNA産物の不純物が見つかり、これを分離するためには特定の研磨工程が必要でした。そのため、不純物プロファイルに基づいたミックスアンドマッチアプローチで最終工程を形成することが理想的です。CytivaのファイバーベースのFibro™クロマトグラフィーなど、より適応性の高いmRNAの精製ソリューションも、将来的にmRNAの精製を促進するための代替品となる可能性があります。」

さらに、mRNAが従来のものなのか、自己増幅型のものなのかによっても検討する必要がある。後者の方がサイズが大きいため、精製工程でさらなる課題が生じる(7)。「mRNAは、従来の4種類のヌクレオチドを用いるものと、半減期を長くするために塩基類似体を用いる修飾mRNAとがあります。」とLiddell博士は述べています。「自己増幅型mRNAでは、ある種のウイルスに由来する配列を使って、saRNAがコードする4つの非構造タンパク質からなるレプリコンを生成し、これがRNAがコードする導入遺伝子のタンパク質のコピーを作るのです。非常に巧妙な技術だが、開発の初期段階にある。」

カプセル化

mRNAの処理におけるもう一つの重要なステップは、脂質ナノ粒子（LNP）を用いたカプセル化であり、これは薬剤が患者の体内を通過する際の劣化から核酸を保護するものです。カプセル化の前に、脂質はまずエタノールなどの有機溶媒に溶かされます。エタノールは引火性が高いため、施設には防炎設備など、これらの材料を安全に使用するための設備が必要になります。

自社で実施できない場合は、カプセル化サービスのアウトソーシング・パートナーを探すことになりますが、現在、この分野で経験を持つCDMOはほとんどありません。また、この分野には多くの特許があり、知的財産の状況は複雑です。Liddell博士によれば、今日mRNAに使用されている脂質は、もともと低分子干渉RNA（siRNA）療法を送達するために開発されたものだそうです。より優れたLNP製剤や代替デリバリー技術が存在する可能性があります。

保存安定性について

mRNAの感度が高いため、COVID-19ワクチンを世界中に届けるには、超低温チェーンが必要です。これは、初期のプロセス上の課題に対処することで、少なくとも部分的には軽減される可能性がある。例えば、Liddell博士は「mRNAを安定させるために必要な低温は、急速な開発・展開に伴う荒削りな部分から生じています。COVIDでは非常に迅速に行動しなければならなかったので、人々は利用可能なものを使いました。しかし、より高温での保存安定性を得るために適切な添加剤や賦形剤を選択すれば、改善の余地は十分にあると私は思います。脂質や賦形剤の処方を変えるだけでなく、凍結乾燥など他の製剤技術も活用して、より良い安定性を実現できるかもしれません。」と述べています。

COVID-19後のmRNA

COVID-19のパンデミックは、世界から多くのものを奪いました。最も重要なのは、この記事を書いている時点で、世界中で460万人以上の命が奪われていることですが（8）、mRNAワクチンは、さらに何百万人もの人々に貴重な保護をもたらし、患者のケアを改善する新しい機会への扉を開くと思われます。しかし、知識のギャップは、開発だけでなく、規制当局の承認においても、進捗を遅らせる可能性があります。Liddell博士とZhu博士は、mRNAの主な焦点は、卵を使った製造方法に代わるワクチンや、腫瘍学への応用にとどまるだろうが、mRNAの可能性を実現するためには、プロセス開発の問題への対処が不可欠であることに同意しています。mRNA の可能性を実現するためには、コラボレーションとコミュニケーション、そして一致団結した努力によってのみ、業界の進歩は可能となるのです。

References