mRNAワクチン：現在のトレンドと展望

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COVID-19パンデミックでは、Pfizer/BioNTech社とModerna社が高い有効性（94～95％）を持つワクチンを迅速にリリースしたことで、mRNAワクチンが脚光を浴びることになりました。SARS-CoV-2の塩基配列が発表されると、Moderna社はわずか28日で最初の候補を入手しました(1)。フェーズ1-3の完全な試験と数百万の用量のリリースが数ヶ月で完了した完全な第1-3相試験と数百万人分のリリースは、他のワクチンに通常必要とされる年月よりもはるかに短い数カ月で完了しました。これは、他のワクチンに必要とされる年数よりもはるかに短いです(2)。

開発期間の短縮と高い有効性（少なくともCOVIDでは）に加えて、予防ワクチンと治療ワクチンの両方にmRNAを使用することには他の利点があります(3)。1つは安全性で、抗原の発現は通常数日しかなく、mRNAの設計によって調節可能であることが挙げられます。また、mRNAワクチンは、弱毒性ワクチンやベクターワクチンよりもはるかに制御しやすいという特徴があります。DNAベースのアプローチとは異なり、mRNAワクチンは核への侵入を必要としないため、ゲノムの統合や変異誘発のリスクが少なくなります。最後に、mRNAワクチンは、細胞応答や抗体応答をしっかりと起こすことができ、これらは、mRNAの設計や送達方法の選択、その他のアプローチによって、ある程度ターゲットを絞ることができます。

また、製造方法にも利点があり、無細胞系で確立されたin vitro転写プロセスに基づいて合成されます（Fig 1）。無細胞システムは、コスト、時間、および製造フットプリントの削減に役立ちます。mRNAワクチン用のプラスミドDNA（pDNA）テンプレートには、細胞ベースの発酵ステップが必要ですが、これは高いコストや時間がかかるステップではありません。さらに、mRNAは柔軟性があり、変種や多価のワクチンは通常、製造プロセスを大幅に変更することなく製造することができます。

Fig 1. mRNAの製造工程。 直線化されたpDNAテンプレートからmRNAが転写され、その後、患者に届けるために捕獲、濃縮、カプセル化、精製されます。

言い換えれば、mRNA治療薬は新たな治療法として期待されています。しかし、特に製造、管理、サプライチェーンの分野では、改善と発展の機会があります。

mRNAは負の電荷を帯びているため、細胞内に入りにくく、酵素RNaseなどのヌクレアーゼによって速やかに分解されてしまうことがあります。mRNAを用いたCOVIDワクチンで採用されている脂質ナノ粒子（LNP）によるカプセル化は、修飾された塩基の置換やmRNAの設計を伴う他の方法と同様に、この問題を軽減するのに役立つ。また、エレクトロポレーションなどの物理的な方法を用いることもできます。この方法は、ex vivoで投与される治療用がんワクチンで注目されていますが、効率は高くありません。

現在のmRNAワクチンは冷凍保存が必要なため、ワクチンの流通も課題となっています。凍結乾燥などの代替方法が研究されています(4)。

製造にも問題があります。mRNAの処理における主な課題の1つは、従来の組換えタンパク質と比較して、mRNA分子が比較的少量で大きなサイズであるため、それに適した専用機器や消耗品がないことです。また、スケーラビリティやプロセスの一貫性を向上させるための技術開発の余地もあります。

RNAベースの治療薬のトレンド

1990年、マウスの骨格筋にnaked mRNAを注入したところ、in vivoでタンパク質の発現が確認されたことから、mRNAワクチンの可能性が科学的に注目されるようになりました(5)。それ以来、この業界は急速に発展、拡大してきました。現在、140件以上の臨床試験が行われており、感染症やがんなど、さまざまな分野でmRNAが利用されています。

現在、2つの形態のmRNA構造が開発されています：従来の非複製型mRNAと自己複製型mRNAです。複製しないmRNAワクチンは、従来のmRNAの形をしており、mRNAの配列に複製機能が組み込まれていません。抗原の配列は、非翻訳（UTR）領域、3'ポリ（A）テール、および5'キャップによって挟まれています。キャップ、UTR、オープンリーディングフレーム（ORF）、尾部は、発現をアップまたはダウンレギュレートしたり、免疫反応を調節したりするように設計することができます(4)。プソイドウリジンや5-メチルシチジンなどの修飾ヌクレオチドは、望ましくない自然免疫系の反応を抑えたり、翻訳効率を高めたりするために用いることができます(2,4)。このように、mRNAの設計だけで、臨床反応の多くの側面を調整することができるのです。

非複製のmRNAワクチンは、性質上、一過性のものであり、通常、抗原を発現するのは数時間から数日です（Pfizer/BioNTechおよびModernaのワクチンの細胞内半減期は8～10時間と推定されています）。ある種のアプリケーションでは、これは有益なことですが、全身的なタンパク質治療のような他のアプリケーションでは、タンパク質の発現を延長することが有益です。

現在、mRNAの複製を可能にする自己複製型mRNA（saRNA）アプローチが開発中です。これにより、発現ウィンドウを数週間にまで広げることができます(4-6)。一般的にsaRNAは、アルファウイルス、フラビウイルス、ピコルナウイルスなどのウイルスのレプリカーゼ遺伝子をcisまたはtrans構成で付加することを基本としています。これらの戦略は、発現レベルを向上させたり、必要なmRNAの投与量を10倍から100倍に減らしたりすることができます。saRNAは、製造需要を低減しながら、多くのアプリケーションにmRNA技術を拡大する可能性があります。現在開発中のmRNA技術には多くの分野がありますが、最適化とmRNAの設計は現在の取り組みの重要な側面です。

mRNA以外のRNA治療法も開発、あるいは承認されています。その中には、遺伝子発現を修飾するアンチセンスオリゴヌクレオチド、別のメカニズムで遺伝子発現を修飾する低分子干渉RNA（siRNA）、RNAを含む他のリガンドと結合できるアプタマー、CRISPRターゲティングに使用されるガイドRNAなどがあります。これらのRNA治療薬の多くは、mRNAワクチンと重複する技術を持っています。例えば、アルナイラム社が承認しているsiRNA治療薬Onpattro©は、LNP技術を使用しています(2,3)。このように、mRNAワクチンに加えて、RNA治療薬全体が急速に進歩しています。

mRNAを用いた治療法の種類

COVIDワクチンは、感染症の予防ワクチンです。他にも、インフルエンザウイルス、ジカ熱、デング熱、狂犬病、ベネズエラ馬脳炎ウイルス、さらにはブドウ球菌や結核などの細菌感染症に対する予防ワクチンが開発されています(4,6)。ユニークなアプローチとしては、チクングニアウイルスに対する中和モノクローナル抗体の発現が挙げられます(4)。

mRNAワクチンは、がんの治療法としても注目されています。mRNAは、変異したがん遺伝子や、多くのがんに共通して存在するTP53などのがん制御遺伝子に対して免疫反応を引き起こすことができ、汎がん治療のアプローチとなります。

癌に対する他のアプローチとしては、個人の突然変異に合わせてワクチンを開発する個別化治療があります。この場合、患者のミュータノームを次世代シーケンサーで特定し、個人の特定のネオアンチゲンを標的としたカスタムmRNAワクチンを数種類開発することになります(7)。

がん治療用ワクチンの開発は急速に進んでおり、70件以上の臨床試験が完了し、今後2〜3年でさらに多くの成果が期待されています(5)。現在、評価されている技術には、mRNAのエレクトロポレーションによる抗原提示細胞（APC）への直接刺激があります。また、腫瘍内への直接注入、全身へのアプローチ、標的臓器へのアプローチなどがあります。現在、mRNAを用いた臨床試験の50%以上が、メラノーマ、前立腺がん、脳腫瘍の治療に焦点を当てています(5)。このように、mRNAワクチンは様々な段階で開発されていますが、LNPを用いて特定の臓器、組織、細胞を標的とすることはまだ研究段階にあります。

生産・製造上のボトルネック

アプリケーションに必要なmRNAの量は、適応症、アプローチの効力、需要、その他の要因によって異なります。カスタマイズされた個別のアプリケーションでは、ミリグラム単位のmRNAの生産が必要になることもあります。一方、世界的なニーズに応えるためには、より大量のmRNAの生産が必要となる場合があります。例えば、現在のPfizer/BioNTech社とModerna社のCOVIDワクチンには、それぞれ30μgと100μgの非複製mRNAが含まれています(1)。これらのワクチンの場合、10億回分の接種を行うためには、30〜100kgの高度に精製されたcGMP mRNAを、できれば数gずつの製造バッチで製造する必要があります。

現在のmRNA製造における最も一般的なボトルネックの一つがスケーリングです。COVID製品が数十億回の投与規模に達している現在、より大規模な製造技術が必要とされているのは間違いありません。CytivaのFlexFactory™プラットフォームとKUBio™ボックスソリューションには大きな関心が寄せられています。これらのソリューションは、最初から最後まで一貫したソリューションを顧客に提供することができます。これらのソリューションは、mAbアプリケーションやプラスミド、ウイルスベクター向けに開発・提供されています。しかし、現在の装置の多くはバイオテック業界で使用されていたものを再利用しており、mRNAに必要な規模よりもはるかに大きなスケールを想定して設計されているため、小規模なcGMP製造にも改善の余地があります。mRNAのcGMP製造に特化して設計された装置は、小規模なものも含め、業界にとって有益なものとなるでしょう。

mRNAの製造のアップストリームはかなり成熟しています。mRNAのin vitro合成に必要なcGMP品質のプラスミド、ポリメラーゼ、酵素は入手可能ですが、コストがかかる場合があります(5)。ポリ(A)テールは、テンプレートに含めるか、酵素を使用して作成することができます(4)。キャッピングの選択肢としては、TriLink Biotechnology社のCleanCap©のような高効率の共合成用試薬や、高効率の酵素処理などがあります(4)。しかし、mRNAワクチンは、無細胞であることから他のワクチンアプローチに比べてコストが低い可能性があるにもかかわらず、現状では製造コストが高くなっています。全体的なコストプロファイルを改善するためには、GMP試薬、キャッピング試薬、およびLNPなどのプロプライエタリなコンポーネントのコストを削減する必要があります。

また、mRNAプロセスのスタートテンプレートとして使用されるプラスミドの容量の制約も課題であり、このアプリケーション分野は、成長するウイルスベクター分野と共通しています。企業はこのボトルネックを解消する方法を模索しており、プラスミド生産のための無細胞プロセスに関する新しい技術は、この最初のプロセスステップを改善できる可能性があります。

しかし、製造のダウンストリームには改善が必要です。効率的な翻訳や望ましくない免疫反応を抑えるためには、高純度のmRNAが必要です(5)。酵素、ヌクレオチド、プラスミドの鋳型、異常なRNA種などの不純物は、多段階の精製が必要であり(5)、これらのプロセスは多様であり、発展途上です。沈殿、アフィニティオリゴdT、セルロースを含むまたは含まないイオンペアクロマトグラフィー（IPC）、イオン交換クロマトグラフィー、タンジェンシャルフローろ過（TFF）などの技術が使用されることがあります（5）。このように、代替の精製リガンドや洗練された精製アプローチは、業界に大きな利益をもたらします。分析能力も向上するでしょう。

mRNAの製造は、モノクローナル医薬品業界で行われているように、標準化やプラットフォーム化に適していますが、現在の製造の多くは、目的に応じた装置を用いて複数のステップで行われています。単回使用の機器や連続的な処理方法など、他の面でもこの新興産業にメリットがあると考えられます。

mRNA技術のスピードとコスト面での可能性から、個人のがん変異に対するワクチンを開発する個別化医療の技術として注目されています。多くの企業が、このための統合システムmRNA処理ソリューションに取り組んでいます。プロセスの多くのステップは同じですが、スケールとコストの面で課題が残っています。しかし、この分野の開発は続いており、将来的には商業段階に達する可能性があります。

最後に、プロセスの科学的理解を深める必要があります。例えば、LNPは通常、マイクロ流体デバイス(2)を使用した迅速な混合プロセスで形成されますが、これは確立された方法というよりは芸術に近いものです。LNPの成分の影響や、LNPの安定性、送達、効率、免疫反応、そして最終的には患者の転帰に与える影響をより深く理解することは、業界にとって有益です(2)。LNPおよびその他の送達技術の最適化は、治療法の最終的な成功または失敗を決定する重要な属性です。

カプセル化とデリバリー技術

LNPなどのナノ構造体の使用は、一般的にnaked mRNAよりも高い効率で送達し、幅広い投与経路を可能にするため、mRNA治療薬では一般的です。ナノ構造技術の課題は、本質的に複雑であり、多くの臨床結果をもたらす可能性のある多くの成分が関与していることです。この点についての理解は不完全です。ナノ構造の特性は、臨床結果に決定的に重要であり、核酸の保護、細胞内でのRNAの放出制御、細胞や組織の選択性、翻訳効率、毒性、長期安定性などが含まれます(2)。

ナノ構造は洗練されており、一般的な脂質、ポリマー、タンパク質、コレステロール、またはイオン化可能な脂質のようなカスタム独自成分など、複数の成分で構成されていることがあります(3,4)。また、ポリエチレングリコール-脂質などのコンジュゲートが使用されることも多く、これらの成分はそれぞれ、構造的な特性に影響を与えます。例えば、ポリマーの含有量は、粒子径を制御し、効率や細胞のトロピズムに影響を与えます。コレステロールなどの構造脂質は、粒子の安定性に影響を与えます。また、正しく混合されないと、ペイロードのない空のナノ粒子が形成される可能性があります。このように、望ましい臨床効果を得るためには、ナノ構造の組成と形成が重要となります(2)。現在、LNPは、遺伝子治療を含む多くのシステムのための主要な非ウイルス性送達システムです(2)。

他の送達方法も研究開発されています。エクソソームは受容体を利用すると考えられており、より効率的な取り込み、より高い特異性、より少ない副作用が期待できます(8)。これは初期の研究分野として有望です。その他の分野では、肝臓の肝細胞を標的としたGalNac-siRNAのようなコンジュゲートRNAがあります(9)。同様に、GALA-ペプチドを結合させたmRNAは、APCへの取り込みを改善することが示されています(10)。この他にも、標的の特異性を高めたり、細胞への取り込みを改善するためのアプローチが評価されています。

Naked mRNAは、腫瘍への直接注入などのアプローチにより、がん治療への応用が評価されている。一般的にnaked RNAは、他の方法に比べて効率が悪いとされているが、必要なのはバッファーのみであるため、調製が容易である(4,11)。アプリケーションによっては、naked mRNAの本質的な高い免疫原性が、ブーストされたアジュバント活性によって利益をもたらすかもしれない(11)。

mRNA産業の展望

COVID-19パンデミックの到来により、予防ワクチン用のmRNAが緊急の必要性から世間の注目を浴びるようになりました。これらのワクチンは、開発期間が短く、高い有効性を持つことから、mRNA治療薬の有望性を示しました。

COVIDワクチンは注目に値しますが、これまでに研究されたほとんどのmRNAワクチンは、がん治療に焦点を当てており、何十もの臨床試験が完了または進行しています。現在進行中の臨床試験の多くは、個別化された治療用がんワクチンを対象としており、今後2～4年のうちに終了する予定です。この分野で有望な結果が出れば、mRNA産業がさらに発展する可能性があります。

さらに、多くの治療法が初期の段階で開発されており、その分野は多岐にわたっているため、成功すれば大きな影響力を持つことになります。mRNA治療法が成功すれば、インフルエンザや結核などのワクチンのような、効果の低い治療法を置き換える可能性があります。

まとめ

mRNA治療は急速に成長している分野であり、開発中のアプリケーションが多すぎるため、この短いレポートでは詳細を説明できません。この技術は、柔軟性、コスト、開発スピードの面で優れているため、感染症や個別化医療に大きなメリットと可能性をもたらします。この技術の可能性を完全に実現するためには、まだ克服すべき課題がありますが、COVID-19パンデミックでは、mRNA治療の有望性が公に示されました。この新興産業の未来は明るいと言えるでしょう。