mRNAベースの治療法およびワクチンは、医療分野において革新的なアプローチとして登場しており、幅広い疾患に対応するための多用途かつ強力なツールを提供しています。COVID-19向けに開発されたmRNAワクチンの成功は、この技術の可能性と効率的な大規模生産技術の必要性を浮き彫りにしました。mRNA生産のスケールアップには、合成や精製の最適化、製品の品質と一貫性の確保など、いくつかの課題を克服する必要があります。本記事では、大規模mRNA生産に用いられる技術と戦略について包括的に解説します。

mRNA生産プロセスの概要

mRNAの生産には、in vitro転写（IVT）、精製、転写後修飾など、いくつかの重要なステップが含まれます。IVTは、RNAポリメラーゼ酵素を用いてDNAテンプレートからmRNAを合成するプロセスです。転写後、酵素や残存DNA、異常mRNA種などの不純物を除去するためにmRNAを精製する必要があります。さらに、5'キャップの付加やポリA化などの転写後修飾が行われ、mRNAの安定性や翻訳効率が向上します。

In Vitro転写（IVT）技術

従来型IVT法

従来型IVT法では、DNAテンプレート、RNAポリメラーゼ、ヌクレオチドを反応混合液中で用いてmRNAを合成します。これらの方法は確立されており、研究室レベルで広く使用されています。しかし、大規模生産へのスケールアップは容易ではありません。従来型IVTの課題の一つは、転写後のDNAテンプレートの除去であり、通常はDNase消化によって達成されます。このステップは時間がかかり、追加の精製課題をもたらす可能性があります。

図1. mRNAのin vitro転写（IVT）の模式図。mRNAは、線状DNAテンプレートとRNAポリメラーゼ（T7）を用いてin vitroで合成されます。IVT mRNAは、5'-キャップ、5'および3'-UTR、目的タンパク質をコードするORF、ポリ(A)テールの5つのドメインで構成されています。（Ma et al., 2023）

固相IVT

固相IVTは、従来型IVT法のいくつかの制限を克服する革新的なアプローチです。この技術では、DNAテンプレートを磁気ビーズなどの固体支持体に固定化し、小規模から大規模まで直接スケールアップが可能です。固定化テンプレートにより効率的な転写が可能となり、ビーズを洗浄することでmRNAを反応混合液から容易に分離できるため、精製プロセスが簡素化されます。この方法は、スケーラビリティや自動化の容易さにおいて大きな利点があります。例えば、自動磁気ビーズハンドラーを使用することで、最大24ウェル（合計48mL IVT）を並行して処理し、最大150mgの精製mRNAを生産できます。あるいは、リアクターでスケールアップすることで、1LのIVT反応で最大3gの精製mRNAを得ることが可能です。

図2. RNA固相合成サイクル。最も一般的なアプローチは、4,4'-ジメトキシトリチル（DMT）基による一時的な保護と、ホスホロアミダイト化学によるカップリングに依存しています。略語：2-シアノエチル（CE）。（Flemmich et al., 2024）

精製技術

クロマトグラフィー法

クロマトグラフィーは、その選択性、多用途性、スケーラビリティ、コスト効率の高さから、製薬業界で広く受け入れられている主流の精製プロセスです。mRNA精製には、サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）、イオン交換クロマトグラフィー（IEC）、アフィニティクロマトグラフィーなど、いくつかのクロマトグラフィー技術が検討されています。

• サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）：SECは分子の大きさに基づいて分離を行い、オリゴヌクレオチド精製の最も単純なクロマトグラフィー法と考えられています。未反応ヌクレオチド、酵素、短鎖転写産物、高分子量DNAテンプレートを目的のIVT mRNA製品から効果的に除去できます。ただし、SECはdsDNAなど同程度の大きさの不純物の除去には限界があります。
• イオン交換クロマトグラフィー（IEC）：IECは、目的mRNA種とさまざまな不純物との電荷差を利用します。この技術はスケーラブルでコスト効率が高く、長鎖RNA転写産物の分離が可能です。弱陰イオン交換クロマトグラフィーは、IVT不純物からmRNAを分離するために成功裏に導入されています。ただし、IECは変性条件下で実施する必要があり、プロセスの複雑さが増します。
• アフィニティクロマトグラフィー：オリゴdTを用いたアフィニティクロマトグラフィーは、mRNAのポリ(A)テールに結合させて捕捉する広く用いられている方法です。この技術はcGMPに適した高純度製品を生産できますが、結合容量やコスト効率に制限があります。

非クロマトグラフィー法

タンジェンシャルフローフィルトレーション（TFF）などの非クロマトグラフィー法は、大規模mRNA精製のための迅速かつ効率的な代替手段として登場しています。TFFは、生体分子を含む溶液をフィルター表面に対して接線方向に流しながらろ過・濃縮する方法です。この方法は、mRNA沈殿と組み合わせて従来の沈殿法の代替となります。TFFは、承認されたCOVID-19 mRNAワクチンの生産プロセスにも成功裏に適用されています。

プロセス開発と最適化

スケーラブルなプラットフォームプロセス

大規模mRNA生産には、スケーラブルなプラットフォームプロセスの開発が不可欠です。スケーラブルなダウンストリームプラットフォームプロセスには、限外ろ過/透析（UF/DF）、クロマトグラフィー、バルク原薬のろ過および充填など、いくつかのユニットオペレーションが含まれます。例えば、300mL IVT反応に基づくプラットフォームプロセスが開発され、300mL単位でスケールアップ可能であることが実証されています。このプロセスは、スケールアップできない塩化リチウム精製プロセスと比較して、約80%の精製mRNAバルク原薬を得ることができます。精製操作により、プロセス残留物やdsRNAを含む製品不純物が除去されます。

プロセス最適化戦略

mRNA生産プロセスの最適化には、反応条件の改善、適切な精製方法の選択、効率的なダウンストリームプロセスの導入など、いくつかの戦略が含まれます。例えば、温度、pH、試薬濃度などIVT反応条件を最適化することで、mRNAの収量と品質を向上させることができます。さらに、精製用の適切なクロマトグラフィーレジンや膜の選択により、プロセス効率とスケーラビリティが向上します。mRNA純度評価のためのサイズ排除クロマトグラフィー（SEC）など、インプロセス分析ツールの導入もプロセス最適化に役立ちます。

課題と今後の展望

サプライチェーンおよび原材料の制約

大規模mRNA生産における大きな課題の一つは、サプライチェーンおよび原材料の制約です。ヌクレオチドや酵素など高品質な原材料の入手は、安定したmRNA生産に不可欠です。これらの課題に対処するには、FDA Q9品質リスクマネジメントガイダンスで推奨されているようなリスクベースの戦略が必要です。入荷原材料のリリース試験やRNaseのベンダーベース試験など、追加の管理を実施することでリスクを軽減できます。

Creative Enzymesは、厳格な品質管理と規制サポートに裏打ちされたGMPグレード酵素の堅牢な供給を提供する信頼できるパートナーとして際立っています。当社の専門知識と信頼性により、コンプライアンスを満たし高収率なmRNA生産の基盤構築をサポートします。

低温保存および配送要件

もう一つの課題は、mRNA製品の低温保存および配送要件です。mRNAは分解しやすいため、保存や輸送中の安定性維持が不可欠です。より安定した製剤やデリバリーシステムの開発が、これらの課題解決に役立ちます。

mRNA生産におけるイノベーション

今後のmRNA生産におけるイノベーションは、スケーラビリティの向上、コスト削減、製品品質の向上に焦点が当てられる可能性があります。例えば、より効率的な固相IVT法や新規精製技術の開発により、生産プロセスのさらなる効率化が期待されます。さらに、リピッドナノ粒子などmRNAデリバリーシステムの進歩により、mRNAベース治療法の安定性と有効性が向上します。

推奨製品

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