Der Bereich der mRNA-Therapeutika und -Impfstoffe hat nach dem Erfolg der COVID-19-mRNA-Impfstoffe einen bemerkenswerten Anstieg an Interesse und Entwicklung erfahren. Stand April 2023 befinden sich über 300 mRNA-Therapien in der Entwicklung, wobei 69 % in präklinischen und 31 % in klinischen Phasen sind. Diese rasche Expansion bringt jedoch sowohl bedeutende Fortschritte als auch erhebliche Herausforderungen mit sich, die angegangen werden müssen, um das Potenzial der mRNA-Technologien vollständig zu realisieren. Diese Ressourcenseite untersucht die neuesten Fortschritte in der mRNA-Herstellung, einschließlich skalierbarer in vitro Transkription, verbesserter Kappungsstrategien und Technologien zur Qualitätskontrolle, während auch wichtige Herausforderungen wie die Beschaffung von Rohmaterialien, RNase-Kontamination und GMP-Compliance angesprochen werden.

Creative Enzymes spielt eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung dieser Innovationen, indem es hochwertige, leistungsvalidierte Enzyme bereitstellt, die für jede Phase der mRNA-Produktion unerlässlich sind.

Fortschritte in der mRNA-Produktion

Verbesserungen der In Vitro Transkription (IVT)

• Hochausbeute-Produktion: Jüngste Innovationen in der IVT haben sich darauf konzentriert, die Ausbeute zu erhöhen und gleichzeitig die Qualität zu erhalten. Fortschritte in der Enzymtechnik und der Optimierung der Reaktionsbedingungen haben zu einer höheren Effizienz bei der mRNA-Synthese geführt. Zum Beispiel hat die Verwendung von modifizierten Enzymen und optimierten Reaktionspuffern die Ausbeute an vollständigen Transkripten erheblich verbessert.
• Optimierung des Template-Designs: Das Design von DNA-Templates hat ebenfalls Verbesserungen erfahren. Die Codon-Optimierung und die Einbeziehung spezifischer regulatorischer Elemente haben die Transkriptionseffizienz und die Stabilität der mRNA verbessert. Diese Optimierungen sind entscheidend für die Herstellung hochwertiger mRNA, die für therapeutische Anwendungen geeignet ist.

mRNA-Reinigungstechniken

• Fortgeschrittene Chromatographie: Neue Chromatographiemethoden wurden entwickelt, um die Reinheit von mRNA-Produkten zu verbessern. Techniken wie Ionenaustauschchromatographie (IEC) und Affinitätschromatographie sind jetzt effizienter und skalierbarer. Diese Methoden können Verunreinigungen wie Enzyme, DNA-Templates und abnormale Transkripte effektiv entfernen und gewährleisten hochreine mRNA.
• Microfluidic-Technologien: Mikrofluidische Systeme haben sich als vielversprechender Ansatz zur mRNA-Reinigung herausgestellt. Diese Systeme bieten eine präzise Kontrolle über die Reaktionsbedingungen und können für die industrielle Produktion hochskaliert werden. Mikrofluidikgeräte können auch mehrere Reinigungsschritte integrieren, wodurch die Komplexität und die benötigte Zeit für die mRNA-Verarbeitung reduziert werden.

mRNA-Formulierung und -Lieferung

• Lipid-Nanopartikel (LNPs): LNPs bleiben ein führendes Liefersystem für mRNA. Jüngste Fortschritte umfassen die Entwicklung von zwitterionischen LNPs, die Zytokinstürme reduzieren, indem sie die Oberflächenladung ausgleichen. Darüber hinaus wurden ApoE-mimetische Peptide verwendet, um LNPs gezielt an spezifische Gewebe wie die Lunge und das Herz zu leiten.
• Polymerbasierte Träger: Polymerbasierte Träger, wie poly(lactid-co-glycolic acid) (PLGA) und Polyethylenimin (PEI), haben sich bei der mRNA-Lieferung als vielversprechend erwiesen. Innovationen im Polymerdesign, einschließlich pH-reaktiver und redox-reaktiver Polymere, ermöglichen eine kontrollierte Freisetzung von mRNA in spezifischen zellulären Kompartimenten. Diese Polymere können auch modifiziert werden, um die Biokompatibilität zu verbessern und die Toxizität zu reduzieren.
• Hybridsysteme: Hybride Liefersysteme, die Lipide und Polymere kombinieren, bieten synergetische Vorteile. Zum Beispiel verwenden lipid-polymer-hybride Nanopartikel (LPNs) einen PLGA-Kern für kontrollierte Freisetzung und eine Lipidhülle für verbesserte zelluläre Aufnahme. Diese hybriden Systeme können die Tumoransprache verbessern und die Immunogenität reduzieren.

Abbildung 1. Fahrzeuge für die mRNA-Lieferung bestehen aus folgenden Kategorien: kationische Verbindungen, wie kationische Lipide, ionisierbare Lipide und kationische Polymere. Nucleosid-basierte Lipide, z.B. DNCA, oder nucleosid-basierte amphiphile Polymere, z.B. Chol(+)-oligoRNA. Metallbasierte Verbindungen bieten leere Orbitale zur Koordination mit Phosphationen. (Angepasst von Qin et al., 2022)

Stabilitäts- und Lagerungslösungen

• Fortschritte in der Lyophilisation: Die Lyophilisation (Gefriertrocknung) wurde optimiert, um die Integrität der mRNA zu bewahren. Trehalose-basierte Kryoprotektoren und Sprühtrocknungstechniken wurden entwickelt, um die Produktionszeit zu verkürzen und die Stabilität zu erhöhen. Diese Fortschritte ermöglichen eine längere Haltbarkeit und einfachere Lagerungsbedingungen für mRNA-Produkte.
• Nachhaltige Herstellung: Umweltfreundliche Alternativen, wie aus Algen gewonnene Lipide und bioengineered Hefesysteme, werden für die nachhaltige mRNA-Produktion erforscht. Diese Alternativen zielen darauf ab, die Umweltbelastung zu reduzieren und gleichzeitig die Wirksamkeit der mRNA-Liefersysteme aufrechtzuerhalten.

Herausforderungen in der mRNA-Produktion

Regulierung und Qualitätskontrolle

• Komplexe regulatorische Landschaft: mRNA-Technologien sind noch relativ neu, was zu komplexen und manchmal unklaren regulatorischen Anforderungen führt. Entwickler müssen sich durch sich entwickelnde Richtlinien navigieren, um die Compliance sicherzustellen, insbesondere da die Anwendungen über Impfstoffe hinaus auf therapeutische Behandlungen ausgeweitet werden.
• Engpässe bei analytischen und Qualitätskontrollen: Die Sicherstellung der Qualität von mRNA-Produkten ist ein kritischer, aber herausfordernder Schritt. Verzögerungen bei analytischen Tests und der Qualitätskontrolle können die Entwicklung und Markteinführung von mRNA-Therapien erheblich behindern. Hohe Reinheitsanforderungen und der Bedarf an schnellen Tests stellen erhebliche Herausforderungen für Hersteller dar.

Immunogenität und Sicherheit

• Immunstimulierende Nebenprodukte: Die mRNA-Produktion kann immunstimulierende Nebenprodukte erzeugen, wie z.B. doppelsträngige RNA (dsRNA), die streng kontrolliert werden müssen, um unerwünschte Immunreaktionen zu vermeiden. Techniken wie enzymatische Verdauung und fortschrittliche Reinigungsmethoden sind entscheidend, um diese Nebenprodukte zu minimieren.
• Nucleosid-Modifikationen: Die Einbeziehung modifizierter Nucleoside, wie Pseudouridin oder 5-Methylcytosin, kann die Immunogenität von mRNA reduzieren. Diese Modifikationen helfen, die Immunerkennung zu umgehen und die Sicherheit und Wirksamkeit von mRNA-Produkten zu verbessern.

Skalierbarkeit und Kosten

• Skalierung von IVT-Prozessen: Die Hochskalierung von IVT-Prozessen ohne Kompromisse bei der Qualität bleibt eine erhebliche Herausforderung. Eine Hochausbeute-Produktion ist notwendig, um den klinischen und kommerziellen Anforderungen gerecht zu werden, aber Enzymeffizienzen und Einschränkungen im Template-Design können die Skalierbarkeit behindern.
• Hohe Kosten von cGMP-Reagenzien: Aktuelle Reagenzien in guter Herstellungspraxis (cGMP), die für IVT erforderlich sind, sind teuer, was die Skalierbarkeit und Erschwinglichkeit der mRNA-Produktion einschränkt. Die Senkung der Kosten dieser Reagenzien ist entscheidend für die breite Akzeptanz von mRNA-Therapien.

Lieferung und Zielgerichtetheit

• Zielgerichtete Gewebeansprache: Die präzise Zielgerichtetheit von mRNA an spezifische Gewebe bleibt eine Herausforderung. Während Fortschritte bei LNP- und polymerbasierten Trägern die Zielgerichtetheit verbessert haben, ist weitere Innovation erforderlich, um die Gewebespezifität zu erhöhen und Off-Target-Effekte zu reduzieren.
• Überwindung der Immunogenität: Selbst mit Modifikationen kann mRNA immer noch Immunreaktionen auslösen. Die Entwicklung von Stealth-Beschichtungen und die Optimierung von Liefersystemen zur Minimierung der Immunogenität sind ein fortlaufendes Forschungsgebiet.

Zukünftige Richtungen

• KI und maschinelles Lernen: KI und maschinelles Lernen werden zunehmend eingesetzt, um die mRNA-Produktion zu optimieren. Diese Technologien können die Bindungsaffinitäten von Lipid-mRNA vorhersagen, das Design neuer Träger beschleunigen und die Effizienz von Reinigungsprozessen verbessern. Zum Beispiel haben KI-Algorithmen lungenspezifische Lipide mit signifikant höherer Effizienz als traditionelle Methoden identifiziert.
• Personalisierte Medizin: Das Potenzial für personalisierte mRNA-Therapien ist eine vielversprechende zukünftige Richtung. Fortschritte im Template-Design und in der Produktionseffizienz könnten die Entwicklung maßgeschneiderter Behandlungen für individuelle Patienten ermöglichen. Dieser Ansatz könnte die Behandlung seltener und komplexer Krankheiten revolutionieren.
• Globaler Zugang und Gerechtigkeit: Die Gewährleistung des globalen Zugangs zu mRNA-Therapien ist ein kritisches Ziel. Innovationen in der Produktion und den Liefersystemen müssen von Strategien begleitet werden, um diese Technologien weltweit erschwinglich und zugänglich zu machen. Dazu gehört die Entwicklung nachhaltiger Herstellungsverfahren und die Senkung der Produktionskosten.

Zusammenfassend haben die raschen Fortschritte in der mRNA-Produktion neue Wege für die Entwicklung von Therapeutika und Impfstoffen eröffnet. Innovationen in IVT, Reinigung, Formulierung und Liefersystemen haben die Effizienz und Wirksamkeit von mRNA-Produkten erheblich verbessert. Dennoch müssen Herausforderungen im Zusammenhang mit regulatorischer Compliance, Immunogenität, Skalierbarkeit und Kosten angegangen werden, um das Potenzial der mRNA-Technologien vollständig zu realisieren. Zukünftige Richtungen, einschließlich der Nutzung von KI, personalisierter Medizin und nachhaltiger Herstellung, bieten vielversprechende Ansätze zur Überwindung dieser Herausforderungen und zur Gewährleistung eines breiten Zugangs zu mRNA-Therapien.

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