Das Gebiet der mRNA-Therapeutika und -Impfstoffe hat nach dem Erfolg der COVID-19-mRNA-Impfstoffe einen bemerkenswerten Anstieg an Interesse und Entwicklungsaktivitäten verzeichnet. Stand April 2023 befinden sich über 300 mRNA-Therapien in der Entwicklung, davon 69 % in der präklinischen und 31 % in der klinischen Phase. Diese rasche Expansion geht jedoch sowohl mit erheblichen Fortschritten als auch mit substanziellen Herausforderungen einher, die adressiert werden müssen, um das Potenzial der mRNA-Technologien vollständig auszuschöpfen. Diese Ressourcenseite beleuchtet die neuesten Fortschritte in der mRNA-Herstellung, einschließlich skalierbarer In-vitro-Transkription, verbesserter Capping-Strategien und Qualitätskontrolltechnologien, und behandelt zugleich zentrale Herausforderungen wie die Beschaffung von Rohmaterialien, RNase-Kontamination und GMP-Compliance.

Creative Enzymes spielt eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung dieser Innovationen, indem das Unternehmen hochwertige, leistungsvalidierte Enzyme bereitstellt, die für jede Stufe der mRNA-Produktion essenziell sind.

Fortschritte in der mRNA-Produktion

Optimierungen der In-vitro-Transkription (IVT)

• Hochausbeute-Produktion: Jüngste Innovationen in der IVT konzentrieren sich darauf, die Ausbeute zu steigern und gleichzeitig die Qualität zu gewährleisten. Fortschritte im Enzym-Engineering sowie die Optimierung der Reaktionsbedingungen haben zu einer höheren Effizienz der mRNA-Synthese geführt. So hat beispielsweise der Einsatz modifizierter Enzyme und optimierter Reaktionspuffer die Ausbeute an Vollängen-Transkripten deutlich verbessert.
• Optimierung des Template-Designs: Auch das Design von DNA-Templates wurde weiterentwickelt. Codon-Optimierung und die Integration spezifischer regulatorischer Elemente erhöhen die Transkriptionseffizienz und die Stabilität der mRNA. Diese Optimierungen sind entscheidend für die Herstellung hochwertiger mRNA, die für therapeutische Anwendungen geeignet ist.

mRNA-Reinigungstechniken

• Fortschrittliche Chromatographie: Es wurden neue chromatographische Verfahren entwickelt, um die Reinheit von mRNA-Produkten zu verbessern. Techniken wie Ionenaustauschchromatographie (IEC) und Affinitätschromatographie sind heute effizienter und besser skalierbar. Diese Methoden können Verunreinigungen wie Enzyme, DNA-Templates und aberrante Transkripte wirksam entfernen und so mRNA mit hoher Reinheit sicherstellen.
• Mikrofluidische Technologien: Mikrofluidische Systeme haben sich als vielversprechender Ansatz für die mRNA-Reinigung etabliert. Sie ermöglichen eine präzise Kontrolle der Prozessbedingungen und lassen sich für die industrielle Produktion hochskalieren. Mikrofluidische Geräte können zudem mehrere Reinigungsschritte integrieren und dadurch die Komplexität sowie den Zeitbedarf der mRNA-Aufarbeitung reduzieren.

mRNA-Formulierung und -Applikation

• Lipidnanopartikel (LNPs): LNPs sind weiterhin ein führendes Verabreichungssystem für mRNA. Zu den jüngsten Fortschritten zählt die Entwicklung zwitterionischer LNPs, die durch Ausbalancierung der Oberflächenladung Zytokinstürme reduzieren. Darüber hinaus werden ApoE-mimetische Peptide eingesetzt, um LNPs gezielt in bestimmte Gewebe umzulenken, etwa in Lunge und Herz.
• Polymerbasierte Trägersysteme: Polymerbasierte Träger wie Poly(lactid-co-glycolid) (PLGA) und Polyethylenimin (PEI) zeigen Potenzial für die mRNA-Applikation. Innovationen im Polymerdesign, einschließlich pH-responsiver und redox-responsiver Polymere, ermöglichen eine kontrollierte Freisetzung der mRNA in spezifischen zellulären Kompartimenten. Diese Polymere können zudem modifiziert werden, um die Biokompatibilität zu erhöhen und die Toxizität zu reduzieren.
• Hybridsysteme: Hybride Verabreichungssysteme, die Lipide und Polymere kombinieren, bieten synergistische Vorteile. Beispielsweise nutzen lipid-polymer-hybride Nanopartikel (LPNs) einen PLGA-Kern für kontrollierte Freisetzung und eine Lipidhülle zur verbesserten zellulären Aufnahme. Diese Hybridsysteme können das Tumor-Targeting verbessern und die Immunogenität reduzieren

Abbildung 1. Vehikel für die mRNA-Verabreichung umfassen folgende 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)

Lösungen für Stabilität und Lagerung

• Fortschritte bei der Lyophilisierung: Die Lyophilisierung (Gefriertrocknung) wurde optimiert, um die Integrität der mRNA zu erhalten. Trehalosebasierte Kryoprotektiva und Sprühtrocknungsverfahren wurden entwickelt, um die Produktionszeit zu verkürzen und die Stabilität zu erhöhen. Diese Fortschritte ermöglichen eine längere Haltbarkeit und erleichterte Lagerbedingungen für mRNA-Produkte.
• Nachhaltige Herstellung: Umweltfreundliche Alternativen wie aus Algen gewonnene Lipide und bioengineerte Hefesysteme werden für eine nachhaltige mRNA-Produktion untersucht. Diese Alternativen sollen die Umweltbelastung reduzieren und gleichzeitig die Wirksamkeit von mRNA-Verabreichungssystemen aufrechterhalten.

Herausforderungen in der mRNA-Produktion

Regulatorik und Qualitätskontrolle

• Komplexe regulatorische Rahmenbedingungen: mRNA-Technologien sind noch relativ neu, was zu komplexen und mitunter unklaren regulatorischen Anforderungen führt. Entwickler müssen sich in einem sich weiterentwickelnden Leitlinienumfeld bewegen, um die Compliance sicherzustellen – insbesondere, da sich die Anwendungen über Impfstoffe hinaus auf therapeutische Behandlungen ausweiten.
• Engpässe in Analytik und Qualitätskontrolle: Die Sicherstellung der Qualität von mRNA-Produkten ist ein kritischer, jedoch anspruchsvoller Schritt. Verzögerungen bei analytischen Prüfungen und in der Qualitätskontrolle können die Entwicklung und Markteinführung von mRNA-Therapien erheblich behindern. Hohe Reinheitsanforderungen und der Bedarf an schnellen Testverfahren stellen Hersteller vor erhebliche Herausforderungen

Immunogenität und Sicherheit

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

Skalierbarkeit und Kosten

• Hochskalierung von IVT-Prozessen: Die Hochskalierung von IVT-Prozessen ohne Qualitätsverlust bleibt eine wesentliche Herausforderung. Eine Hochausbeute-Produktion ist erforderlich, um klinische und kommerzielle Bedarfe zu decken, jedoch können Enzymineffizienzen und Einschränkungen im Template-Design die Skalierbarkeit begrenzen.
• Hohe Kosten für cGMP-Reagenzien: Reagenzien in Current-Good-Manufacturing-Practice-(cGMP)-Qualität, die für die IVT erforderlich sind, sind kostenintensiv und begrenzen die Skalierbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit der mRNA-Produktion. Eine Reduktion dieser Reagenzienkosten ist entscheidend für die breite Implementierung von mRNA-Therapien.

Verabreichung und Targeting

• Targeting spezifischer Gewebe: Eine präzise Zielsteuerung der mRNA in spezifische Gewebe ist weiterhin herausfordernd. Obwohl Fortschritte bei LNP- und polymerbasierten Trägersystemen die Targeting-Fähigkeiten 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 fortlaufende Forschungsschwerpunkte.

Zukünftige Entwicklungen

• KI und Machine Learning: KI und Machine Learning werden zunehmend eingesetzt, um die mRNA-Produktion zu optimieren. Diese Technologien können Bindungsaffinitäten zwischen Lipiden und mRNA vorhersagen, das Design neuartiger Träger beschleunigen und die Effizienz von Reinigungsprozessen erhöhen. So haben KI-Algorithmen beispielsweise lungenzielende Lipide mit deutlich höherer Effizienz als traditionelle Methoden identifiziert.
• Personalisierte Medizin: Das Potenzial personalisierter mRNA-Therapien ist eine vielversprechende Zukunftsperspektive. Fortschritte im Template-Design und in der Produktionseffizienz könnten die Entwicklung maßgeschneiderter Behandlungen für einzelne Patienten ermöglichen. Dieser Ansatz könnte die Therapie seltener und komplexer Erkrankungen grundlegend verändern.
• Globaler Zugang und Gerechtigkeit: Die Sicherstellung eines globalen Zugangs zu mRNA-Therapien ist ein zentrales Ziel. Innovationen in Produktions- und Verabreichungssystemen müssen durch Strategien ergänzt werden, die diese Technologien weltweit bezahlbar und verfügbar machen. Dazu gehören 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 deutlich gesteigert. Allerdings müssen Herausforderungen in Bezug auf regulatorische Compliance, Immunogenität, Skalierbarkeit und Kosten adressiert werden, um das Potenzial der mRNA-Technologien vollständig auszuschöpfen. Zukünftige Entwicklungen – einschließlich KI, personalisierte Medizin und nachhaltige Herstellung – sind vielversprechend, um diese Herausforderungen zu überwinden und einen breiten Zugang zu mRNA-Therapien zu ermöglichen.

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