为什么大规模生产新冠疫苗很难

2020年3月，首个Covid-19候选疫苗在西雅图进入志愿者的怀抱。是Moderna公司的信使rna疫苗今年4月，BioNTech和辉瑞(Pfizer)相继推出了候选mRNA。到2020年12月，这两种疫苗成为美国食品和药物管理局(FDA)批准的首批疫苗。紧随其后的是阿斯利康(AstraZeneca)和强生(Johnson & Johnson)生产腺病毒载体的竞争对手，以及俄罗斯的人造卫星5号(Sputnik V)。

Moderna和BioNTech等后起之秀在开发疫苗方面的早期成功，掩盖了默克(Merck)、葛兰素史克(GSK)和赛诺菲(Sanofi)等疫苗巨头的困境。但那些克服了发展挑战的公司现在面临着下一个阶段:大规模生产剂量。正如英国卫生大臣马特·汉考克(Matt Hancock) 3月18日告诉下议院的那样，“生产疫苗的过程很复杂，而且难以预测”。

每种疫苗都面临生产问题;新技术实际上是从零开始。增加产能是企业和政府应对挑战的一种方式。上周末，英国政府宣布了这一决定增加4760万英镑为了得到英国疫苗制造和创新中心正在哈维尔科学与创新园区建设，甚至更快上线。疫苗开发商也在改造现有设施，并与竞争对手合作，以利用他们的生产能力和专业知识。

信使rna的瓶颈

BioNTech-Pfizer的疫苗是FDA批准的首个用于人类的mRNA疫苗。这种疫苗的大规模生产以前从未发生过。

Moderna和BioNTech对制造细节保持沉默，但一般来说，聚合酶遵循DNA模板，通过将核苷酸连接在一起来制造mRNA序列。“所有的酶都是在细菌中产生的。核苷酸是化学合成的，”免疫学家解释道画斯曼他为Moderna和BioNTech授权的技术做出了贡献。

这些疫苗的成分和材料的整个供应链都是新的

Zoltán基斯，伦敦帝国理工学院

制造信使rna本身并不复杂，信使rna在我们的细胞内编码病毒刺突蛋白。“反应混合物具有明确的组成和相对较少的成分，没有活细胞或细胞排泄或细胞碎片，”说Zoltan克义斯他是英国帝国理工学院未来疫苗制造中心的化学工程师。信使rna的合成需要两个小时，而制造疫苗则需要几天。

加入酶来降解DNA模板，留下一个4000到5000个核苷酸长的RNA分子。这是根据电荷或大小分离出来，使用切向流过滤或各种色谱方法。Kis解释说:“我们的目标是将RNA纯化到尽可能高的程度，因为你不想要任何可能导致副作用的杂质。”

然后信使rna被包裹成脂球。微流体必须在受控环境中混合信使rna和脂质。基斯说:“这是这个过程中的瓶颈，是限制速度的步骤。”同意这一观点德里克·劳他是美国的一名药物发现化学家，在他的博客中写过关于mRNA制造的文章，在进行中

Lowe指出，市场上的两种mRNA疫苗使用的是商业上可用的脂质，但也是“专有的定制脂质”。报告揭示了“非常奇特的混合技术”来控制脂质纳米颗粒和mRNA的形状和组成，Lowe说。其他制药公司无法轻易参与进来。

洛警告说:“制造过程非常不寻常，也很棘手。”Kis补充说:“这些疫苗的成分和材料的整个供应链都是新的。”他指出，一些特殊脂质的供应可能受到知识产权问题的挤压。BioNTech的脂质供应商包括默克和赢创工业华尔街日报，而德国的Dermapharm，加拿大的Acuitas Therapeutics和奥地利的Polymun Scientific Immunbiologische Forschung参与了配方过程。

很少有具有专业知识和规模的合同制造组织能够为制造mRNA疫苗做出有意义的贡献。洛说:“必须是大公司。”他补充说，这些公司一只手就能数过来，比如龙沙(Lonza)和卡泰伦特(Catalent)。“如果有人说他们可以再生产5000种疫苗，这没有任何帮助。谁在乎呢?”

Moderna表示，到2021年底，该公司将生产10亿剂疫苗，目前正在生产4亿剂Lonza设施在瑞士的维斯普和美国的朴茨茅斯。在填充和完成阶段，将疫苗倒入玻璃瓶中，这将落在Moderna的合作伙伴，如西班牙的Rovi和美国的Catalent．

BioNTech - Pfizer承诺在2021年至少生产20亿剂疫苗，目前辉瑞在美国和比利时的工厂生产其中约一半，BioNTech生产另一半。升级今年年初，辉瑞比利时工厂停产两周。辉瑞在美国密歇根和比利时的工厂花了比预期更长的时间建立起来。

德国的Rentschler和瑞士的诺华公司正在为BioNTech提供起始成分，以及制造一些mRNA。Kis说:“熟悉这些流程并具备专业知识的人并不多。”赛诺菲也准备这么做贡献1.25亿剂而Dermapharm将于5月在德国开设第二家制造工厂。齐格弗里德集团是协助填充和整理BioNTech。

另一个亮点是，第三家mRNA公司可能很快就会进入Covid-19疫苗领域——CureVac。今年2月，欧洲药品管理局(EMA)开始滚动回顾这家德国公司的候选人。它目前在一个药效试验在欧洲和拉丁美洲。Kis说，这种疫苗有几个优点:它每剂量需要12µg mRNA，而Moderna需要100µg，辉瑞- biontech需要30µg。也就是说1g的剂量会大得多。

腺病毒巫术

腺病毒载体疫苗的生产也面临挑战。它们比通常认为的要新首次授权用于埃博拉病毒去年才被EMA审查过Covid-19载体疫苗依靠受损的“普通感冒”腺病毒在我们的细胞内携带刺突的基因序列。RNA在生物反应器中仅用几十升就能制造出来，而病毒载体疫苗则完全不同。

生产从一小瓶哺乳动物细胞开始，培养到升容量，然后是几十升和几百升，最后装满2000升的水箱。基斯说:“当你引入病毒时，这是一个常见的规模，然后病毒在细胞内复制。”阿斯利康生产人体肾脏细胞需要8周时间。病毒需要几天时间在这些细胞内复制。

即使在相同的条件下，你也可以得到不同的收益

德里克·劳

阿斯利康表示已经做到了建立生产在15个国家和25个地点，包括与印度血清研究所的许可协议(见印度制药公司是疫苗生产的中心)，在世界各地供应疫苗。不过，该公司上周证实，生产问题将减少向欧盟交付疫苗的计划。据报道，Novasep控股公司在比利时的一家生产工厂的产量远低于预期。强生公司还据报道，该公司在原料和设备方面存在供应问题，因此可能难以在6月底之前向欧洲交付承诺的剂量。

洛指出，病毒载体公司避免了mRNA疫苗的奇异混合步骤和专有脂质，但必须培养大量的人类细胞。“人类细胞培养是一种巫术。细胞做它们想做的事，”洛说。他听说强生在欧洲的一个工厂腺病毒的产量一直很低，他们正在努力解决这个问题。洛解释说:“即使在相同的条件下，你也可以得到不同的产量，所以这是使用巨大的人类细胞罐的一个弱点。”

细胞必须被喂食数周，并保持存活和分裂。基斯说:“事情从不会一开始就按照计划进行。”“条件不能直接从小尺度转化为大尺度，混合不同，压力不同，传热也不同。所有这些都需要在每个尺度上进行优化。打嗝是正常的。”

基斯解释说:“一旦你有足够的病毒，你就会停止这个过程，开始从复杂的混合物中提纯病毒。”这种混合物含有缓冲液、营养物质、脂质、蛋白质、分泌物和死细胞。病毒大小和表面电荷可以用来纯化腺病毒，但这个过程需要严格的质量检查。生产伙伴必须在细胞药物方面有经验，具有严格的纯化能力。没有生产商愿意将掺假疫苗投放市场。

希望扩大规模的政府和企业可以选择建造新设施(这通常需要几年时间)，或者改造或改造现有设施。加拿大明显缺乏疫苗生产，因此政府在Montréal资助了一个基于细胞的生产中心。

Kis说:“对于一种未知的病毒，没有额外的产能，现在公司正在努力寻找产能。”这比信使rna的产生要容易一些，因为培养人类细胞用于药物已经是老生常谈了。但专业知识至关重要。

三月初，默克公司宣布它将与强生公司合作生产疫苗。在美国兴起告诉CNBC它正在为阿斯利康(AstraZeneca)和强生(J&J)生产疫苗，并计划每年生产10亿剂疫苗。此外，负责管理斯普特尼克5号卫星的俄罗斯财富基金告诉金融时报》上个月，该公司与10个国家的15家制造商签署了生产14亿剂疫苗的合同。

现有的生产能力在于生产用于药物的重组蛋白或用于疫苗的灭活病毒的设施。Kis说:“这些可以制造腺病毒，但你不想破坏其他疾病的救命疫苗或癌症治疗等其他注射剂。”此外，例如，腺病毒生产比单克隆抗体需要更严格的生物安全要求胺卡门他是加拿大麦吉尔大学(Montréal)的一名生物工程师，他认为有必要升级生产生物制剂的设施。

他认为，重组蛋白生产商，特别是单克隆抗体生产商，将病毒引入到他们的生产能力中，会有很大的阻力。他补充说，预计只有使用细胞培养的病毒疫苗生产商才会接受使用他们的设备生产腺病毒载体。他警告说，这样的生产商并不多:诺华(Novartis)、赛诺菲-巴斯德(Sanofi-Pasteur)、默克(Merck)以及印度和中国的其他一些公司。

找到正确的树

蛋白质亚基是一种更传统的疫苗类别，用于乙型肝炎、HPV和一些流感疫苗等。据报道，主要候选人来自Novavax有前景的结果在一月底。

Novavax疫苗包括一种全长的Sars-CoV-2刺突蛋白，通过将一种基因插入一种杆状病毒中，这种病毒可以感染培养的蛾细胞。Novavax指出:“这些蛋白质自然组装成与病毒大小相近的球体，这是由我们的蛋白质设计实现的。”洛说:“这种技术已经在工业上应用了很长时间，所以生产过程中已经出现了一些问题。”“与信使rna或腺病毒相比，这种制造途径不那么麻烦。Novavax说，该公司在世界各地都有生产基地。Kis说:“寻找生产和制造合作伙伴应该很容易，因为这是一项成熟的技术。”

然而，在成品疫苗中，重组纳米颗粒必须与Novavax的专有佐剂Matrix-M结合。这对于产生有效和持久的保护性免疫反应至关重要，并降低所需的刺突蛋白剂量。

这种佐剂使用智利树皮中的皂苷，Quillaja saponaria．这被用于其他疫苗，如葛兰素史克的重磅带状疱疹疫苗，并可能引起供应问题。洛说，这似乎是他们潜在的弱点。

严格的质量检查在所有生产方法中都是必不可少的。Kis说:“他们中没有人会冒险降低疫苗的质量，因为如果出现问题，(对疫苗的推广和公众接受)将产生巨大的后果。”尽管面临着巨大的扩大规模的压力，但企业在选择合作伙伴方面还是很挑剔。

未来还有其他挑战。由于需要数十亿剂疫苗，行业观察人士说，即使是完成和填充的能力也会带来挑战。Kis说:“随着越来越多的疫苗获得批准和生产规模的扩大，生产过程很可能也会成为一个瓶颈。”这一最终阶段“需要在受控环境中提高效率，并受到严格监管”Tinglong戴约翰霍普金斯大学凯里商学院(Johns Hopkins Carey Business School)的运营管理专家。很少有制造商拥有自己的加料加工设施。这件事已经承包出去了。”

尽管如此，当商业机会出现时，公司将继续建立合作关系。赛诺菲(Sanofi)与BioNTech和辉瑞(Pfizer)的合作有些不同寻常。Lowe最近将其描述为权宜婚姻．基斯总结道:“他们都有经济激励。他说，有很多利润可赚。