Das Feld 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, davon 69 % in der präklinischen und 31 % in der klinischen Phase. Diese rasante Expansion bringt jedoch sowohl bedeutende Fortschritte als auch erhebliche Herausforderungen mit sich, die bewältigt werden müssen, um das volle Potenzial der mRNA-Technologien auszuschöpfen. Diese Ressourcenseite beleuchtet die neuesten Fortschritte in der mRNA-Herstellung, darunter skalierbare in vitro-Transkription, verbesserte Capping-Strategien und Technologien zur Qualitätskontrolle, und geht gleichzeitig auf zentrale Herausforderungen wie die Beschaffung von Rohmaterialien, RNase-Kontamination und GMP-Konformität ein.

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)

• Hochleistungsproduktion: Jüngste Innovationen in der IVT konzentrieren sich auf die Steigerung der Ausbeute bei gleichbleibender Qualität. Fortschritte im Enzym-Engineering und in der Optimierung der Reaktionsbedingungen haben zu einer höheren Effizienz bei der mRNA-Synthese geführt. Beispielsweise hat der Einsatz modifizierter Enzyme und optimierter Reaktionspuffer die Ausbeute an voll-längigen Transkripten deutlich verbessert.
• Optimierung des Template-Designs: Auch das Design von DNA-Templates wurde verbessert. Codon-Optimierung und die Einbindung spezifischer regulatorischer Elemente haben die Transkriptionseffizienz und mRNA-Stabilität erhöht. Diese Optimierungen sind entscheidend für die Herstellung hochwertiger mRNA, die für therapeutische Anwendungen geeignet ist.

mRNA-Reinigungstechniken

• Fortschrittliche Chromatographie: Neue Chromatographiemethoden wurden entwickelt, um die Reinheit von mRNA-Produkten zu verbessern. Techniken wie Ionenaustauschchromatographie (IEC) und Affinitätschromatographie sind nun effizienter und skalierbarer. Diese Methoden können Verunreinigungen wie Enzyme, DNA-Templates und abweichende Transkripte effektiv entfernen und sorgen so für hochreine mRNA.
• Mikrofluidische Technologien: Mikrofluidische Systeme haben sich als vielversprechender Ansatz für die mRNA-Reinigung etabliert. Diese Systeme bieten eine präzise Kontrolle der Reaktionsbedingungen und können für die industrielle Produktion skaliert werden. Mikrofluidische Geräte können zudem mehrere Reinigungsschritte integrieren, wodurch die Komplexität und der Zeitaufwand für die mRNA-Verarbeitung reduziert werden.

mRNA-Formulierung und -Verabreichung

• Lipid-Nanopartikel (LNPs): LNPs bleiben ein führendes Verabreichungssystem für mRNA. Zu den jüngsten Fortschritten gehört die Entwicklung zwitterionischer LNPs, die Zytokinstürme durch Ausgleich der Oberflächenladung reduzieren. Darüber hinaus wurden ApoE-mimetische Peptide eingesetzt, um LNPs gezielt an bestimmte Gewebe wie Lunge und Herz zu lenken.
• Polymerbasierte Träger: Polymerbasierte Träger wie Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) und Polyethylenimin (PEI) haben sich in der mRNA-Verabreichung als vielversprechend erwiesen. Innovationen im Polymerdesign, darunter pH-responsive und redox-responsive Polymere, ermöglichen eine kontrollierte Freisetzung von mRNA in spezifischen zellulären Kompartimenten. Diese Polymere können zudem modifiziert werden, um die Biokompatibilität zu erhöhen und die Toxizität zu verringern.
• Hybridsysteme: Hybride Verabreichungssysteme, die Lipide und Polymere kombinieren, bieten synergistische Vorteile. Beispielsweise nutzen Lipid-Polymer-Hybrid-Nanopartikel (LPNs) einen PLGA-Kern für die kontrollierte Freisetzung und eine Lipidhülle für eine verbesserte zelluläre Aufnahme. Diese Hybridsysteme können die Tumoransprache verbessern und die Immunogenität verringern.

Abbildung 1. Vehikel für die mRNA-Verabreichung bestehen aus folgenden Kategorien: kationische Verbindungen wie kationische Lipide, ionisierbare Lipide und kationische Polymere. Nukleosidbasierte Lipide, z. B. DNCA, oder nukleosidbasierte amphiphile Polymere, z. B. Chol(+)-oligoRNA. Metallbasierte Verbindungen stellen freie Orbitale zur Koordination mit Phosphationen bereit. (Adaptiert nach Qin et al., 2022)

Stabilitäts- und Lagerungslösungen

• Fortschritte bei der Lyophilisation: Die Lyophilisation (Gefriertrocknung) wurde optimiert, um die Integrität der mRNA zu erhalten. 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 Lagerbedingungen für mRNA-Produkte.
• Nachhaltige Produktion: Umweltfreundliche Alternativen wie algenbasierte Lipide und bioengineerte Hefesysteme werden für eine nachhaltige mRNA-Produktion erforscht. Diese Alternativen zielen darauf ab, die Umweltbelastung zu reduzieren und gleichzeitig die Wirksamkeit der mRNA-Verabreichungssysteme zu erhalten.

Herausforderungen in der mRNA-Produktion

Regulatorik und Qualitätskontrolle

• Komplexe regulatorische Landschaft: mRNA-Technologien sind noch relativ neu, was zu komplexen und teils unklaren regulatorischen Anforderungen führt. Entwickler müssen sich in sich ständig weiterentwickelnden Richtlinien zurechtfinden, insbesondere da die Anwendungen über Impfstoffe hinaus auf therapeutische Behandlungen ausgeweitet werden.
• Engpässe bei Analytik und Qualitätskontrolle: 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

• Immunstimulatorische Nebenprodukte: Bei der mRNA-Produktion können immunstimulatorische Nebenprodukte wie doppelsträngige RNA (dsRNA) entstehen, die streng kontrolliert werden müssen, um unerwünschte Immunreaktionen zu vermeiden. Techniken wie enzymatische Verdauung und fortschrittliche Reinigungsmethoden sind unerlässlich, um diese Nebenprodukte zu minimieren.
• Nukleosid-Modifikationen: Die Einbindung modifizierter Nukleoside wie Pseudouridin oder 5-Methylcytosin kann die Immunogenität der mRNA verringern. Diese Modifikationen helfen, der Immunerkennung zu entgehen und erhöhen die Sicherheit und Wirksamkeit von mRNA-Produkten.

Skalierbarkeit und Kosten

• Skalierung von IVT-Prozessen: Die Skalierung von IVT-Prozessen ohne Qualitätseinbußen bleibt eine große Herausforderung. Eine Hochleistungsproduktion ist notwendig, um klinische und kommerzielle Anforderungen zu erfüllen, doch Enzymschwächen und Einschränkungen im Template-Design können die Skalierbarkeit behindern.
• Hohe Kosten für cGMP-Reagenzien: Für IVT erforderliche Reagenzien in aktueller guter Herstellungspraxis (cGMP)-Qualität sind teuer, was die Skalierbarkeit und Erschwinglichkeit der mRNA-Produktion einschränkt. Die Senkung der Kosten dieser Reagenzien ist entscheidend für die breite Einführung von mRNA-Therapien.

Verabreichung und Zielgerichtetheit

• Zielgerichtete Verabreichung an spezifische Gewebe: Die präzise Zielsteuerung der mRNA an bestimmte Gewebe ist weiterhin eine Herausforderung. Während Fortschritte bei LNP- und polymerbasierten Trägern die Zielgerichtetheit verbessert haben, sind weitere Innovationen erforderlich, um die Gewebespezifität zu erhöhen und Off-Target-Effekte zu reduzieren.
• Überwindung der Immunogenität: Selbst mit Modifikationen kann mRNA weiterhin Immunreaktionen auslösen. Die Entwicklung von Stealth-Beschichtungen und die Optimierung von Verabreichungssystemen zur Minimierung der Immunogenität sind ein fortlaufendes Forschungsfeld.

Zukünftige Entwicklungen

• KI und maschinelles Lernen: KI und maschinelles Lernen werden zunehmend zur Optimierung der mRNA-Produktion eingesetzt. Diese Technologien können Lipid-mRNA-Bindungsaffinitäten vorhersagen, das Design neuartiger Träger beschleunigen und die Effizienz von Reinigungsprozessen verbessern. Beispielsweise haben KI-Algorithmen lipide mit deutlich höherer Effizienz für die Lungenzielsteuerung identifiziert als herkömmliche Methoden.
• Personalisierte Medizin: Das Potenzial für personalisierte mRNA-Therapien ist eine vielversprechende zukünftige Entwicklung. Fortschritte im Template-Design und in der Produktionseffizienz könnten die Entwicklung maßgeschneiderter Behandlungen für einzelne Patienten ermöglichen. Dieser Ansatz könnte die Behandlung seltener und komplexer Krankheiten revolutionieren.
• Globaler Zugang und Gerechtigkeit: Die Sicherstellung des globalen Zugangs zu mRNA-Therapien ist ein zentrales Ziel. Innovationen in Produktions- und Verabreichungssystemen müssen von Strategien begleitet werden, die diese Technologien weltweit erschwinglich und zugänglich machen. Dazu gehört die Entwicklung nachhaltiger Herstellungspraktiken und die Senkung der Produktionskosten.

Zusammenfassend haben die rasanten Fortschritte in der mRNA-Produktion neue Wege für die Entwicklung von Therapeutika und Impfstoffen eröffnet. Innovationen in IVT, Reinigung, Formulierung und Verabreichungssystemen haben die Effizienz und Wirksamkeit von mRNA-Produkten erheblich gesteigert. Herausforderungen in Bezug auf regulatorische Konformität, Immunogenität, Skalierbarkeit und Kosten müssen jedoch bewältigt werden, um das volle Potenzial der mRNA-Technologien auszuschöpfen. Zukünftige Entwicklungen, einschließlich des Einsatzes von KI, personalisierter Medizin und nachhaltiger Produktion, bieten vielversprechende Ansätze zur Überwindung dieser Herausforderungen und zur Sicherstellung eines breiten Zugangs zu mRNA-Therapien.

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