2022年医药行业mRNA产业链深度报告:第三代核酸疫苗技术颠覆性创新.docx
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1、2022年医药行业mRNA产业链深度报告:第三代核酸疫苗技术颠覆性创新第三代疫苗时代来临,mRNA技术大放异彩自新冠疫情出现以来,mRNA疫苗一举走红成为全球欢迎的明星产品。2020年,新冠肺炎在全球爆发,即使到2022年,OmiCrOn等各个突变体仍然在全球传播。在竞速开发疫苗的道路上,各种技术路线百花齐放。不到一年时间,mRNA疫苗得到快速发展通过临床试验并于2021年获得美国FDA授权的紧急使用许可(EUA),并随后正式获批。根据各公司官网,BioNTech与Moderna的mRNA疫苗针对新冠原始毒株保护率均超过90%,为当时有效率最高的新冠疫苗,在全球疫情防控中起着重要作用。新冠疫情
2、推动mRNA技术大露锋芒接种疫苗构建群体免疫,是应对疫情的必要防控方式。对于所有传染性疾病而言,注射疫苗进行预防是性价比最高的手段,具备非常强的卫生经济学属性。根据OUrWor1.dinData统计,截止2022年7月9日,全球累计新冠疫苗接种量已超过121亿剂,61.28%的人口完成了全程基础免疫接种。根据国家卫健委公布数据,截至2022年7月9日,中国接种新冠疫苗超过34亿剂;接种总人数12.9亿人,其中完成全程接种人数12.6亿人,接种覆盖率和全程接种覆盖率分别达约92%、89%;完成加强免疫接种7.9亿人,其中序贯加强免疫接种超4000万人;60岁以上老年人接种覆盖人数和全程接种人数分
3、别占约88%、83%o中国新冠疫苗接种率在主要国家中位居前列。mRNA疫苗为第三代疫苗技术,新冠mRNA疫苗首次验证该技术平台。灭活疫苗是经典的第一代疫苗,灭活疫苗的生产和使用已经相当成熟,目前我国使用的大部分疫苗都属于灭活疫苗;第二代疫苗即亚单位基因工程疫苗,这种疫苗安全性大大提高,近些年也有产品陆续问世;而包括mRNA疫苗在内的核酸疫苗,属于第三代疫苗技术。目前,美国FAD已批准乙肝疫苗等10余种核酸疫苗进入临床试验,这预示核酸疫苗在21世纪或将成为人类和动物抵抗疾病的有利武器,而在2020年开始这场的新冠疫情中,mRNA疫苗技术真正登上舞台。mRNA疫苗研发速度快,打破传统疫苗繁长研发周
4、期。新冠病毒基因序列于2020年1月11日公布,Moderna公司于1月13日完成mRNA疫苗序列研究工作,2月7日完成首批样品的制备,mRNA-1273产品于当年3月3日进入I期临床,并于3月16日完成首例受试者接种。相比传统疫苗,mRNA疫苗借助其平台化研发速度快的优势,在大型突发性传染病的防控中发挥重要作用,成为全球首个进入临床的新冠疫苗。2020年12月2日,英国首先批准了Pfizer/BioNTech新冠mRNA疫苗BNT162b2紧急使用授权,随后FDA于11日和18日分别批准了Pfizer/BioNTech和Moderna的新冠mRNA疫苗BNT162b2和mRNA-1273的紧
5、急使用授权。2021年8月23日和2022年1月31日,基于新冠疫情形势和mRNA疫苗优异的临床数据,FDA完全批准了Comirnaty(BNT162b2)和Spikevax(mRNA-1273)的上市使用。新冠mRNA疫苗有效率出色,BNT162b2成为2021年度新晋药王。2020年11月18日,辉瑞发布了BNT162b2的I1.1.期临床试验结果,结果显示疫苗整体保护率高达95%o2021年3月31日,Moderna发布了mRNA-1273的III期临床试验结果,结果显示疫苗整体保护率达到94.1%。从临床数据来看,BioNtech与Moderna的mRNA疫苗保护率为目前有效率最高的新
6、冠疫苗,出色的保护效果使得该两款mRNA畅销全球。根据辉瑞2021年财报,其新冠mRNA疫苗BNT162b2全球范围内(除BioNtech负责的德国、土耳其和复星医药负责的大中华区外)的销售额为367.81亿美元,成为2021年度新晋药王。Moderna的mRNA-12732021年度全球销售额达176.75亿美元。回顾mRNA疫苗的“明星”之路mRNA技术探索历经半世纪,21世纪初起步商业化探索。1961年,首次发现mRNA并使用鱼精蛋白作为RNA递送系统;1978年,脂质体被应用转染到人和小鼠细胞以表达相关蛋白;1984年,首次利用一种来自病毒的RNA合成酶成功合成了具有生物活性的mRNA
7、;1990年,Wo1.ff等人发现在小鼠肌肉组织中注射含有特定基因的质粒DNA或mRNA,小鼠组织局部会产生该基因编码的蛋白产物;1995年,mRNAs被用于肿瘤免疫治疗。随后在2000年,CUreVaC创立;2005年,BioNTech创立;2010年,Moderna创立;2016年,斯微生物成立;2019年,艾博生物、珠海丽凡达生物相继成立;2020年,新冠mRNA疫苗上市。递送技术/核酸修饰技术等发展带动mRNA技术落地,并构成企业研发核心壁垒。早期mRNA不稳定性问题和递送难题导致研究进展缓慢,脂质纳米颗粒1.NP递送技术和假尿喀唉替换技术奠定mRNA技术落地基础。递送载体对改善mRN
8、A疫苗的稳定性和翻译效率有非常重要的作用,1.NP体系的成功应用极大地推动了mRNA的应用发展;1.NP技术最早出自PieterCu1.1.is实验室,该技术的最初目的是用于siRNA递送,目前已广泛用于递送RNA药物、疫苗或基因编辑等。此外mRNA在体内会被T1.R识别,并被视作外源入侵物而清除,所以在动物试验中会引发严重的炎症反应;而在2007年,宾大KataIinKarik6和DrewWeissman创立的RNARx拿到了美国政府的基金并发现了用假尿喀唉替换尿喀唉逃脱天然免疫的攻击,解决了防止mRNA被视作外源入侵物而清除的问题。mRNA疫苗可激活体液免疫和细胞免疫,免疫原性强且有效性高
9、。进入21世纪后,mRNA合成、修饰和递送技术的发展使得mRNA疫苗原有缺陷得以克服,mRNA疫苗的研发重新得到重视。作为一种核酸疫苗,mRNA疫苗的工作机理是:当体外合成的mRNA分子(含有编码特定抗原的mRNA序列)搭乘脂质纳米颗粒进入细胞后,宿主细胞摄取mRNA后进行翻译表达,核糖体会合成病毒蛋白(抗原蛋白),通过两种方式刺激机体免疫系统,产生体液免疫和细胞免疫应答,从而在没有病毒感染的情况下使机体产生对病毒的免疫力。mRNA技术疫苗弯道超车,颠覆全球疫苗产业格局mRNA疫苗相比传统疫苗具备有效性高、生产成本低等优势。相比传统疫苗(减毒、灭活、重组亚单位等疫苗),mRNA疫苗生产工艺简单
10、、无需细胞培养或动物源基质、合成速度快、成本低。从作用机制上讲,跟传统灭活疫苗相比,传统疫苗是直接将抗原蛋白注射进入人体,引起免疫反应,因其成熟的技术和研发生产经验,不良反应率较低,简单说更安全;而mRNA是将编码病毒抗原的mRNA注入体内,由人体自身细胞产生对应的抗原,以此激活特异性免疫。灭活疫苗呈递抗原的过程是一次性的,此后不会有新增抗原。而mRNA疫苗抗原呈递的过程是可短暂持续的,保护效率相对更高。但相比同属核酸疫苗的DNA疫苗,mRNA疫苗发挥作用无需进入细胞核,没有整合至宿主基因组的风险,且为一过性表达,半衰期可以通过修饰进行调整。Omicron毒株或将引导新冠疫情泛流感化,mRNA
11、疫苗序贯接种加强针有效率保持领先。目前研究数据显示临床效果较好的方案是混合接种,序贯接种激发的免疫反应明显高于同种疫苗接种,选择其他技术路线的疫苗进行加强免疫有可能打破灭活疫苗的保护性免疫反应瓶颈。所以进行mRNA、腺病毒载体以及重组蛋白的加强接种有望进一步提高疫苗对人群的保护率。mRNA疫苗凭借研发速度快、有效率高的优势,在加强针市场有望继续保持领先地位。mRNA技术具备预防和治疗应用前景,传染病、癌症治疗和蛋白替代领域空间广阔。mRNA药物可分为3类,预防性疫苗、治疗性疫苗和治疗性药物(protei-encodingtherapies)o随着新冠mRNA疫苗产品的上市和优异亮相,mRNA技
12、术在传染病预防疫苗领域的应用得到充分的验证。而mRNA技术平台在肿瘤个体治疗、蛋白替代等领域的巨大开发潜力也逐渐显现,吸引了众多药企纷纷布局,推动mRNA递送技术和修饰技术不断完善,加快mRNA技术的商业化落地。mRNA上游生产过程及产业链龙头企业概览核酸序列修饰和递送载体技术构成研发核心壁垒,1.NP组装为生产工艺放大难点。mRNA疫苗的生产过程主要包括DNA原液制备、mRNA原液制备、mRNA制剂组装三大环节,各环节生产加质控周期分别约为17天、16天、30天,总生产周期约为2个月,其中质控检测所需的时间接近一半。不同mRNA疫苗研发企业的产品差异性主要体现在mRNA的序列优化设计技术和递
13、送载体1.NP的合成技术,构成产品研发的主要技术壁垒。同时生产工艺过程具备诸多know-how,关键难点在于1.NP合成,是产业化的重要制约因素。上游提供生产所需的质粒、酶、核甘酸底物、脂质、反应试剂、罐装玻璃瓶、生产纯化设备等原材料和设备耗材;下游提供冷链运输和医药流通等服务。2021年新冠mRNA疫苗上游原材料市场规模约400亿元(人民币)。以ModernaIOOg/剂的新冠mRNA疫苗为例,根据Moderna2021年报数据,其产品毛利率约为82%,1剂mRNA-1273疫苗售价约为20美元,对应的生产成本约为3.6美元,按照2021年底汇率换算大约为23元人民币。根据Pub1.icCi
14、tizen数据,Moderna和BioNTech的新冠mRNA疫苗原材料成本占比分别为55.9%和41.7%,考虑到其定价接近,按照2021年销售额(mRNA-1273和BNT162b2分别为176.75亿美元和404亿美元)进行加权平均后得到mRNA疫苗原材料成本占比约为51%o按照23元的生产成本计算,每剂mRNA疫苗的原材料成本约为11.7元;根据Moderna和BioNTech2021年报数据,其销售量分别为8.07亿剂、26亿剂,合计约34亿剂,对应上游原材料市场规模约为400亿元(人民币)。质粒生产环节工艺成熟外包化程度高,品牌+质量构建核心壁垒。在DNA原液制备环节,通过对目标病
15、原体基因组测序,筛选靶点确定目标抗原,设计靶抗原的基因序列并插入到质粒,转染到大肠杆菌大规模体内表达,最后提取和纯化携带目的序列的质粒,即得到DNA转录模板。目前质粒的生产提取和纯化工艺成熟,进入壁垒较低,mRNA疫苗研发企业中除辉瑞自建质粒生产工厂外,大部分mRNA企业将质粒生产环节外包。酶原料占据上游原材料主要成本,本地供应链需求加速国产替代。mRNA原液制备环节中,从DNA模板体外转录得到mRNA,再对mRNA进行体外修饰和纯化,需要一系列酶和底物的参与,包括RNA聚合酶、无机焦磷酸酶、RNase抑制剂、加帽酶、加尾酶、DNA酶等,占据产业链上游主要市场空间。RNA聚合酶是DNA模板体外
16、转录mRNA的关键酶;无机焦磷酸酶可以催化水解mRNA疫苗生产过程中产生的大量无机焦磷酸盐,促进产物生成提高mRNA产量;RNase抑制剂可以减少RNase污染物,减少mRNA的降解;加帽酶可以在mRNA的5端添加一个甲基化的鸟甘酸帽子,从而保护mRNA免遭核酸外切酶的攻击;加尾酶可以在mRNA的3末端添加PoIy(A)尾,从而增强mRNA的稳定性、提高翻译起始效率等;DNA酶可以消除残余的DNA模板。加帽酶是其中最昂贵的酶,通过一步法途径在反应体系中加入cap类似物,可以节省加帽酶的使用和处理时间,但加帽效率相较加帽酶参与的两步法途径有所降低。mRNA体外合成需要四种核甘酸底物的参与,常用到
17、尿首修饰的假尿喀唉,从而增强mRNA稳定性和表达效率。核酸序列优化设计是mRNA平台核心技术,“AI+高通量验证法”将成为研发平台基础设施。通过对mRNA序列进行设计优化可以提高mRNA疫苗的稳定性和翻译效率,主要包括密码子优化和mRNA二级结构优化两个方向。密码子优化常用的手段包括5帽子修饰,3尾巴修饰,假尿喀唉替换,以及将低丰度的稀有密码子替换为高丰度的常见密码子,增加CG含量等,从而提高翻译效率和增强mRNA稳定性。mRNA在体内会形成不同的二级结构,二级结构越稳定,mRNA在体内的半衰期越长,蛋白表达量越丰富,基于目标蛋白质的高级结构来优化氨基酸序列,使其能够高效折叠或形成特定构象,如
18、在新冠mRNA疫苗中广泛使用的S-2pFurin酶切位点设计,利用2个脯氨酸突变达到稳定S蛋白融合前构象的效果,使其诱导的中和抗体水平更高、免疫原性更强。但随着氨基酸数量的增多,可供选择的mRNA序列数量指数级增加,如目前的新冠疫苗均以全长刺突蛋白为靶点,该蛋白有1273个氨基酸,可供选择的mRNA序列数量达到10的632次方。因此序列设计对算法的要求极高,目前通过A1.技术结合高通量验证法,是序列设计平台发展的新路径;在复杂庞大的序列数据库中进行技术迭代,我们认为“AI+高通量验证法”也将成为mRNA研发平台的基础设施。头部药企积极引入序列优化云计算平台,与A1.科技公司合作构建数据和算法壁
19、垒。由于序列设计对算法的要求极高,需要借助计算机软件设计对二级结构进行优化,帮助提高mRNA序列的结构紧密性、转录稳定性及翻译效率,最终提升疫苗诱导的免疫原性;对于mRNA研发企业来说,能够进行全面整合新的A1.技术进入研发、并建立高通量的筛选平台是大趋势,也是其与传统医药研发企业区分开的重要标志。2020年4月,百度推出全球首个mRNA疫苗基因序列设计算法1.inearDesign,专门用于优化mRNA序列设计;2021年10月11日,百度与斯微生物等利用新算法1.inearDesign优化新冠mRNA疫苗序列的研究结果发表在预印本期刊arXiv上;2021年11月22日,赛诺菲与百度达成合
20、作协议,将利用后者的1.inearDesign技术帮助开发和优化新一代mRNA疗法或疫苗。1.NP是主流mRNA疫苗递送载体,为目前mRNA研发企业核心壁垒。由于mRNA是一个含负电荷的大分子,无法穿过由阴离子脂质构成的细胞膜,并且在体内会被先天免疫系统的细胞吞噬,或者被核酸酶降解,因此需要合适的递送载体才能实现mRNA的胞内表达。递送载体包括病毒载体和非病毒载体两种,非病毒载体具备安全性高和给药次数少的优势已经成为主流;目前的非病毒递送载体主要包括以下几种类型:阳离子脂质体复合物(IiPOPex,1.P)、脂质体聚合物(Iipopo1.yp1.ex,1.PR)、脂质体纳米粒(IiPidnan
21、oparticIe,1.NP)、阳离子纳米乳(CatiOniCnanoemuIsion,CNE)等。脂质纳米颗粒1.NP是目前主流递送载体,可以帮助mRNA进入细胞膜,促进mRNA释放到细胞基质内完成抗原蛋白翻译。通常1.NP包含四种成分,可电离脂质、胆固醇、辅助磷脂和PEG修饰的脂质分子。可电离脂质分子是1.NP中最重要的成分,其在酸性环境下携带正电荷,可以与携带负电荷的mRNA结合;在生理PH值时呈中性,从而提高了安全性并且延长在血液循环中的驻留时间;体内的酸性环境会让可电离脂质分子重新携带正电荷,从而促进与内体细胞膜的融合,将mRNA释放到细胞质中。胆固醇提高纳米颗粒的稳定性,并且帮助脂
22、质体与内体细胞膜的融合。辅助脂质分子调节纳米颗粒的流动性,并且辅助与内体的细胞膜融合。PEG修饰的脂质成分提高1.NP的稳定性,而且通过限制脂质融合调节纳米颗粒的大小,并通过降低与巨噬细胞的非特异性相互作用来提高纳米颗粒的半衰期。阳离子脂质设计构成1.NP核心技术,递送载体靶向性稳定性等仍有待提升。目前ArbUti1.S和GeneVant合作拥有1.NP递送系统专利,BioNTech和CureVac通过与Genevant合作获得1.NP递送系统,Moderna在2018年Arbutus授权终止后自研了1.NP递送系统。1.NP递送系统专利包括纳米颗粒制备专利(069专利)和阳离子脂质(MC3)
23、专利,前者保护制备1.NP的成分,可以通过选择不同的成分绕过专利,后者是专利壁垒的核心,也是构成BiONTeCh、MOderna、CureVac三家新冠疫苗产品递送载体的主要差异。1.NP为主流的mRNA疫苗递送系统,但其微结构和各组分相互作用机理等尚不清晰,是影响疫苗效果和安全性的重要因素,各组分结构和比例设计对1.NP稳定性、交付、效率、免疫反应和最终患者结果的影响需要进一步科学地验证探索,递送技术有待进一步优化成熟;此外,1.NP存在缺乏靶向性、体内不稳定等问题,新型递送系统的开发或可提供差异化解决方案,斯微生物等正在探索双层脂质多聚物纳米载体1.PP等独家递送载体。金斯瑞:全球领先的基
24、因合成领域龙头企业金斯瑞生物科技股份有限公司于2002年在美国新泽西州成立,2015年在港股上市,现已成为覆盖生命科学服务、生物药CDM0、工业合成生物学、细胞疗法四大业务板块的全球领先的基因合成领域龙头企业;拥有金斯瑞生物科学(生命科学服务及产品平台)、百斯杰(工业合成生物学平台)、金斯瑞蓬勃生物(生物药CDMO平台)、传奇生物(细胞疗法平台)四家子公司,在中国、美国、日本、欧洲等地区均建立了研发生产基地,具备全球化生产和销售能力。金斯瑞为国内GMP质粒生产龙头,独家供应沃森/艾博mRNA疫苗项目质粒。金斯瑞生命科学研究业务于2000年开始提供实验室级别质粒服务,积累了丰富的质粒生产经验,累
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