Kako poteka proizvodnja cepiv mRNA

Slo-Tech - Pandemija covida-19 je prvikrat v zgodovini od človeštva zahtevala, da začnemo množično proizvajati cepiva na osnovni tehnologije mRNA, kakršni sta razvila Moderna in Pfizer/BioNTech. Ozko grlo spopadanja z epidemijo tako ni več razvoj cepiva, temveč njegova proizvodnja, ki preprosto ne dohaja povpraševanja. To je povzročilo tudi širjenje številnih zavajajočih trditev, češ da proizvajalci skrivajo informacije in da bi z angažmajem proizvodnih kapacitet drugih farmacevtskih gigantov zlahka proizvedli bistveno več cepiva v istem času. Čeprav drži, da nobeno podjetje ne bo na veliki zvon obešalo vseh podrobnosti o proizvodnem postopku, je resnica precej bolj enostavna. Proizvodnja cepiv je zahtevna, kompleksnega postopka pa ni možno preprosto prekopirati na novo lokacijo. Jonas Neubert je dobro opisal, zakaj. Nekoliko poljudnejši opis Pfizerjevega postopka pa so pripravili tudi v The New York Timesu.

Cepiva mRNA sestojijo iz ustrezno modificiranega zaporedja nukleotidov v molekuli ribonukleinske kisline (mRNA), ki so skriti v maščobne kapljice. Poleg tega imajo še nekaj drugih preprostih molekul, ki so namenjene stabilizaciji, uravnavanju ionske moči, pH-ja ipd. Če bi želeli proizvodnjo cepiva prikazati shematično, bi jo zapisali takole:

1. proizvodnja ustreznega zaporedja DNA, ki ustreza želeni mRNA;
2. prepis DNA v mRNA;
3. proizvodnja ustreznih lipidov (maščob);
4. prenos mRNA v maščobne mehurčke;
5. dodatek drugih sestavnik, redčenje in polnjenje v viale;
6. pakiranje in distribucija.

Nekateri izmed teh korakov so precej rutinski, denimo proizvodnja DNA (prvi korak). To je dobro raziskan postopek, ki ga proizvajalci uporabljajo v velikem merilu ali celo zaupajo podizvajalcem (denimo Moderna to naroči švicarski firmi Lonza). Načeloma je to postopek, ki ga lahko izvaja marsikatero podjetje. Najprej je treba sintetizirati nekaj kopij potrebne DNA, kar je de novo sicer zamudno in drago, je pa možno. Ko ustrezno DNA v obliki plazmida imajo, jo shranijo v centralno banko, kjer bo na voljo kot matrica za vse šarže. Nato se pomnoževanje izvede v bakterijah (npr. E. Coli), ki jih gojijo v bioreaktorjih. V nekaj bakterij vnesejo plazmid z želenim DNA, nato pa pustijo, da se bakterije razmnožujejo. Po štirih dneh iz njih izolirajo DNA. Bakterije se podvojijo vsakih 20 minut, torej v 4 dneh izdelajo bilijone kopij. Ko je gojenje končano, bakterije uničijo in iz njih izolirajo DNA. Izolirane plazmide temeljito preverijo, ali je v njih res ohranjeno enako zaporedje kot v matrici, nato pa jih razrežejo (plazmidi so krožne strukture, potrebujemo pa linearne verige). Pripravo DNA Pfizer izvaja v eni sami tovarni v Chesterfieldu, od tam pa vrečke globo zamrznjene (-20 °C) DNA pošljejo v Andover v Massachusettsu in v nemški Mainz.

Prepis DNA v mRNA (drugi korak) prav tako ni posebej zahteven postopek, saj obstajajo encimi, namenjeni prav za ta postopek, je pa bil doslej nekoliko manj pogosto v uporabi v proizvodnem merilu. Za Moderno to počne Lonza, Pfizer/BioNTech pa spet sama. K DNA dodajo nukleotide, torej osnovne sestavne dele mRNA, encime za prepis DNA v mRNA (torej sintezo mRNA po predlogi iz DNA) in pogoje za zaščito nastale mRNA. Ker je mRNA precej manj stabilna od DNA, je treba paziti, da ne razpade. Načinov je več, med drugim se namesto uracila uporablja 1-metil-3’-psecdouridilil (to vpliva predvsem na stabilnost mRNA v telesu), na konce verige se pripnejo zaščitna zaporedja (poliA). Sledi spet izdatno testiranje, v katerem se preverja ustreznost prepisa.

Proizvodnja ustreznih lipidov (tretji korak) sodi v drugo kategorijo kemične proizvodnje, ni pa nič kaj zapletenega. Resda gre za nekaj malo bolj eksotičnih lipidov, a so formule vseh sorazmerno enostavne, proizvodnja pa tudi. DSPC in holesterol sta stara znanca, ki ju znamo sintetizirati že rutinsko, drugi lipidi pa so manj pogosti. DMG-PEG 2000 je možno kupiti komercialno. Pfizer/BioNTech na primer uporablja še ALC-3015, ki ga je patentiralo kanadsko podjetje Acuitas, moderna pa SM-102 podjetja Arbutus Biopharma. Vsako cepivo ima malce drugačno kombinacijo maščobnih delcev, ki pa imajo isto nalogo - mRNA morajo obdati in skriti v nanodelce, s čimer preprečijo razpad in hkrati omogočijo vnos v celico.

In tu pridemo do ključnega izziva, ki ga predstavlja četrti korak, v katerem je treba iz raztopin mRNA in plavajočih lipidov izdelati dobro definirano mešanico maščobnih nanodelcev, v katerih so shranjene nepoškodovane molekule mRNA. Proizvajalci o tem koraku niso posebej zgovorni, ker je zahteven. Tu posega na področje mikrofluidike, kjer gre za tok tekočin skozi zelo ozke kanale z natančno definiranimi pretoki. Tekočine se v takih pogojih obnašajo precej drugače kot v veliki tokovih. Verjetno se uporablja več mikroreaktrojev, v katerih so dobro definirani tokovi lipidov in mRNA. Že majhne variacije v temperaturi, koncentracijah in pretokih lahko bistveno vplivajo na uspešnost postopka. Potrebni aparati so verjetno narejeni po meri ali vsaj močno prilagojeni. Pfizer uporablja 16 vzporednih črpalk, ki so natančno sinhronizirane.

Sledi še polnjenje v viale, ki so poprej sterilizirane. V Pfizerjevem postopku v vsako brizgnejo 0,45 ml koncentrirane raztopine, kar bo zadoščalo za šest odmerkov cepiva. Celoten postopek traja 60 dni. To torej ni klasični proizvodni postopek zdravil, kot ga poznamo pri malih molekulah, niti ni povsem enak kot pri proizvodnji bioloških zdravil. Podjetij, ki proizvajajo DNA po naročilu, ki lahko izdelajo velike količine mRNA in ki so sposobne proizvesti maščobne nanodelce dobro definiranih dimenzij, pač ni na pretek. Še manj je ljudi, ki znajo mRNA potem zapreti v maščobne nanodelce, ker potrebujejo specifično znanje mikrofluidike in biotehnologije.

V praksi to pomeni, da niti predsedniška vzpodbuda ne more imeti bistvenih vplivov na hitrost proizvodnje, kot spoznavajo v ZDA. Vsaka nova proizvodnja linija pa zahteva obsežna testiranja in preverjenja, da se proizvaja res formulacija, ki je potrebna.