mRNAベースの治療法とワクチンは、医学の分野で革命的なアプローチとして登場し、幅広い疾患に対処するための多用途で強力なツールを提供しています。COVID-19のために開発された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、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。この記事では、大規模mRNA生産に使用される技術と戦略の包括的な概要を提供します。

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使用してDNAテンプレートからmRNAを合成するプロセスです。転写後、mRNAは酵素、残留DNA、異常なmRNA種などの汚染物質を除去するために精製される必要があります。5'キャップの追加やポリアデニル化などの転写後修飾が行われ、mRNAの安定性と翻訳効率が向上します。

in vitro転写（IVT）技術

従来のIVT方法

従来のIVT方法は、DNAテンプレート、RNAポリメラーゼ、ヌクレオチドを使用して反応混合物中でmRNAを合成します。これらの方法は確立されており、実験室環境で広く使用されています。しかし、大規模生産には容易にスケールアップできない場合があります。従来のIVTの課題の一つは、転写後にDNAテンプレートを除去することで、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、追加の精製課題を引き起こす可能性があります。

図1. mRNAのin vitro転写（IVT）の概略図。mRNAは、線状DNAテンプレートとRNAポリメラーゼ（T7）を使用してin vitroで合成されます。IVT mRNAは、5'-キャップ、5'-および3'-UTR、目的の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、従来のIVT方法のいくつかの制限に対処する革新的なアプローチです。この技術では、DNAテンプレートが磁気ビーズなどの固体支持体に固定され、小さな体積から大きな体積への直接的なスケールアップが可能になります。固定されたテンプレートは効率的な転写を可能にし、mRNAを反応混合物からビーズを洗浄することで簡単に分離できるため、精製プロセスが簡素化されます。この方法は、スケーラビリティと自動化の容易さにおいて大きな利点を提供します。たとえば、自動化された磁気ビーズハンドラーを使用すると、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を生成することが可能です。あるいは、リアクターでのスケールアップにより、単一の1L IVT反応で最大3gの精製mRNAを得ることができます。

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、ホスホラミジン化学を使用した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、コスト効率のために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の精製には、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探求されています。

• サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）：SECは分子をサイズに基づいて分離し、オリゴヌクレオチドを精製するための最も単純なクロマトグラフィー形式と見なされています。未反応のヌクレオチド、酵素、短い転写物、高分子量DNAテンプレートを望ましいIVT mRNA製品から効果的に除去できます。しかし、SECは、dsDNAのような同様のサイズの不純物を除去する際に制限があります。
• イオン交換クロマトグラフィー（IEC）：IECは、ターゲットmRNA種とさまざまな不純物との間の電荷の違いを利用します。この技術はスケーラブルでコスト効率が良く、長いRNA転写物の分離を可能にします。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実施されています。しかし、IECは変性条件下で実施する必要があり、プロセスに複雑さを加えます。
• アフィニティクロマトグラフィー：オリゴdTを使用したアフィニティクロマトグラフィーは、mRNAをポリ(A)テールに結合させるための広く使用されている方法です。この技術はcGMPに適した高純度製品を生成しますが、結合能力とコスト効率に制限があります。

非クロマトグラフィー法

非クロマトグラフィー法、例えばタンジェンシャルフローフィルトレーション（TFF）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、生物分子を含む溶液をフィルター表面に対してタンジェンシャルに流すことによって濾過および濃縮します。この方法は、従来の沈殿法を置き換えるためにmRNA沈殿と組み合わせることができます。TFFは、承認されたCOVID-19 mRNAワクチンの生産プロセスに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

スケーラブルなプラットフォームプロセスの開発は、大規模mRNA生産にとって重要です。スケーラブルな下流プラットフォームプロセスは、通常、超濾過/ダイアフィルトレーション（UF/DF）、クロマトグラフィー、バルク医薬品物質のフィルトレーションおよび充填など、いくつかのユニット操作を含みます。たとえば、300mLの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示されています。このプロセスは、非スケーラブルな塩化リチウム精製プロセスに対して、約80%の精製mRNAバルク医薬品物質を生成します。精製操作は、プロセス残留物やdsRNAを含む製品の汚染物質を除去します。

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、効率的な下流処理の実施など、いくつかの戦略が含まれます。たとえば、温度、pH、試薬濃度などの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、精製のために適切なクロマトグラフィー樹脂や膜を選択することで、プロセスの効率とスケーラビリティを向上させることができます。mRNAの純度を評価するためのサイズ排除クロマトグラフィー（SEC）などのプロセス内分析ツールを実施することも、プロセスの最適化に役立ちます。

課題と今後の方向性

サプライチェーンと原材料の制約

大規模mRNA生産における重要な課題の一つは、サプライチェーンと原材料の制約です。ヌクレオチドや酵素などの高品質な原材料の入手可能性は、一貫したmRNA生産にとって重要です。これらの課題に対処するには、FDA Q9品質リスク管理ガイダンスで推奨されるようなリスクベースの戦略が必要です。入荷材料のリリーステストやRNaseのベンダーテストなどの追加の管理を実施することで、これらの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グレードの酵素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。私たちの専門知識と信頼性により、コンプライアントで高収量のmRNA生産の基盤を築くお手伝いをします。

冷蔵保管と配送要件

もう一つの課題は、mRNA製品の冷蔵保管と配送要件です。mRNAは分解に敏感であり、保管および輸送中の安定性を維持することが重要です。より安定した製剤や配送システムの開発が、これらの課題に対処するのに役立ちます。

mRNA生産の革新

mRNA生産における将来の革新は、スケーラビリティの向上、コストの削減、製品品質の向上に焦点を当てる可能性があります。たとえば、より効率的な固相IVT方法や新しい精製技術の開発は、生産プロセスをさらに合理化することができます。さらに、脂質ナノ粒子などのmRNA配送システムの進歩は、mRNAベースの治療法の安定性と有効性を向上させることができます。

推奨製品

mRNA生産のスケールアップは、新たな複雑さのレベルを導入し、堅牢なプロセス、高効率のワークフロー、および強化された条件下で信頼性を持って機能できる酵素を必要とします。Creative Enzymesが提供する専門的な酵素は、大規模製造の要求に応えるように設計されており、高スループットのプラスミド線形化から効率的なin vitro転写、キャッピング、ポリアデニル化まで対応しています。一貫したパフォーマンスと技術的専門知識を提供することで、mRNA治療薬およびワクチンのスケーラブルな生産をサポートし、産業規模での世界的な健康需要に応えます。詳細情報や個別のサポートについては、お問い合わせください。