打开疫苗水龙头——扩大生产的挑战

疫苗生产

根据世界卫生组织的 COVID-19疫苗追踪器 其中，102种处于临床开发阶段。8种疫苗已获批准全面用于COVID-19, 7种疫苗处于早期或有限使用阶段。其中有四类疫苗尤为突出。

大约30%的正在开发的疫苗是蛋白质亚单位疫苗。其余大部分是非复制病毒载体(16%)、DNA疫苗(10%)、灭活病毒(16%)或RNA疫苗(16%)。疫苗必须大规模生产才能进入全球人群，而每一种疫苗都必须大规模生产 四种最流行的疫苗类型 面临着自身的挑战。

灭活疫苗是最传统的疫苗平台，亚单位蛋白疫苗在过去几十年蓬勃发展。核酸和病毒载体疫苗是重要的新产品，它们的新颖性给扩大生产带来了困难。产量领先的是辉瑞-生物科技(Pfizer-BioNTech)和Moderna (RNA疫苗)，阿斯利康(AstraZeneca)、Sputnik V和强生(病毒载体)，以及国药控股(Sinopharm)和科兴(Sinovac)(灭活疫苗)。

灭活疫苗

灭活疫苗是一种传统的生产平台，几十年来一直用于制造灭活疫苗，例如脊髓灰质炎病毒疫苗。到20世纪80年代初，这是可能的 培养的脊髓灰质炎病毒 在100到1000升的发酵罐中放入猴肾细胞，使其失效并装入小瓶。今天，SARS-CoV-2正在大桶中生长 猴肾细胞 然后用一种叫-丙内酯的化学物质灭活。以这种方式生产的疫苗大多来自两家中国企业:北京的科兴生物科技(Sinovac Biotech)和国有的国药控股(Sinopharm)。

这种老技术在很大程度上被西方制药公司所忽视，但中国公司提高了这些疫苗的产量，令行业观察人士感到惊讶。今年6月,自然 突出显示 这使得中国每天为大约2000万人接种疫苗。这占全球所有剂量的60%。“这令人印象深刻。这大约是英国每天用量的两倍。 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，当然，中国的人口要多得多。

考虑到灭活病毒的制造比一些新的疫苗技术需要更多的时间和精力，这就更令人印象深刻了。制造商必须首先在活细胞中培养大流行病毒，这可能需要几个月的时间，然后使病毒失效并提纯。由于病毒是灭活的，因此可能需要比活疫苗或mRNA型疫苗更大的剂量，而且有些疫苗含有佐剂以增强免疫反应。此外，正如免疫学家指出的那样，需要处理大量的传染性病毒，并且需要保持病毒的完整性，这必须得到证实 法蒂玛Amanat 而且 Florian Krammer说 在杂志中 免疫力2020年4月 ．克雷默说，尽管如此，“几乎任何人都可以生产灭活疫苗”，这可能使这种形式的疫苗在许多国家得以生产。尽管在获得设备和专业知识方面仍然存在挑战。

药物发现化学家德里克·劳表示，棘手的部分是 在他的科学博客 他说，这种方法“足以灭活病毒，使其无法感染细胞和复制，但又不至于让它向免疫系统呈现完全不同的蛋白质，引发对真正病毒毫无帮助的反应”。Kis说，灭活病毒需要时间，通常在两周左右(尽管这因病毒而异)，质量控制至关重要，以确保你不会将活疫苗注射到人们的怀里。Kis补充说:“在所有条件相同的情况下，这肯定是生产疫苗最慢的方法。”

制造这种类型的疫苗显然需要时间来扩大规模，但现在进展顺利。“中国的疫苗接种运动起步缓慢，但很快就加快了步伐。” Rongjun陈 伦敦帝国理工学院未来疫苗制造研究中心 告诉自然 ． 香港大学的Jin Dong-Yan在同一篇文章中表示，中国可能利用了现有的能力，以流感和甲型肝炎等灭活病毒为基础生产疫苗。另一种灭活疫苗是由印度巴拉特生物技术公司设计的Covaxin，于2021年5月推出 计划生产 每年2亿剂。科学分析公司Airfinity表示188金宝搏备用该公司预计，到2021年，国药控股将生产略低于10亿支，科兴将生产17亿支，巴拉特将生产4.1亿支。

信使RNA疫苗

在大流行之前，没有mRNA疫苗获得许可。现在，西方国家的两种主要的COVID-19疫苗都是基于mrna的，包括辉瑞biontech的BNT162b2和Moderna的mRNA-1273。制造信使rna疫苗需要一种聚合酶，通过将核苷酸连接在一起，从DNA模板中生成一串信使rna。核苷酸本身是化学合成的，免疫学家 画斯曼 在宾夕法尼亚大学 告诉化学世界 ， 信使rna本身的制造并不复杂。

Kis指出，mRNA合成需要几个小时，而整个制造过程只需要几天。DNA模板被酶分解，留下的RNA链被切向流过滤或各种色谱方法分离出来。

刺突蛋白一旦进入人体细胞，信使rna就会对其进行编码，但辉瑞生物科技和Moderna疫苗的信使rna序列必须首先在精确控制的过程中与脂质混合。Kis说，这减慢了制造过程，因为将RNA封装到脂质颗粒中需要特殊的混合技术:微流体将微量液体聚集在一起，以精确的方式混合两种流。Kis说:“这是一项新技术，用于制造这些疫苗的一些材料也是新材料，而且它们没有现成的供应链。”

其中一些脂类是由较小的公司生产的，这些公司在大流行开始时的生产能力有限，但拥有重要的知识产权。根据Airfinity的数据，在大流行期间，mRNA疫苗的生产规模已经扩大，Moderna预计今年将生产75万剂，辉瑞- biontech预计生产24亿剂。现代化 预测 明年将达到30亿美元。Kis说，将生产转移到新的地点并不简单，然而，“知道如何做的专家都在忙着做”，而不是参与培训其他人，他解释说。

Stephane Bancel 他是Moderna的首席执行官， 说 至少需要6到9个月的时间来增加显著的产能．即使到那时，也必须购买设备，而且还面临着将信使rna疫苗的所有消耗品从2020年初的几乎为零扩大到2021年的数十亿剂的挑战。 Kis说，此外，随着疫苗生产以前所未有的规模扩大，即使是疫苗的填充和收尾也将成为一个瓶颈。

尽管如此，信使rna疫苗制造有一些基本的优点。Kis说:“与其他疫苗相比，这些过程要简单得多，而且它们不依赖于生长的细胞，这增加了复杂性。”他指出，BioNTech收购了诺华(Novartis)在德国的一家生产抗癌药物的工厂，6个月后，这家工厂已经开始生产mRNA疫苗;一个非常快速的时间轴。在信使rna生产设施中，用30至50升生物反应器生产的疫苗剂量可与使用约2000升生物反应器容量的细胞生产设施生产的疫苗剂量相同。“这在建立新的mRNA产生位点时具有优势。与基于细胞的疫苗生产相比，资本成本和设施占地面积要求将更低，”Kis补充说。

第三家mRNA疫苗制造商CureVac预计将开始生产疫苗，但III期临床试验的中期分析，HERALD， 没有达到预先设定的统计成功标准 ．Kis指出，CureVac疫苗每次注射的RNA含量较低，这意味着1克RNA可以制造更多的疫苗。

亚基、重组和结合疫苗

蛋白质亚单位疫苗不会引发针对整个病毒的免疫反应，而是向人体展示一到两个关键成分。就SARS-CoV-2而言，蛋白质亚单位疫苗由纯化的刺突蛋白或其部分组成。由于这些碎片不能引起疾病，亚单位疫苗被认为是非常安全的，适合免疫系统受损的人 疫苗和免疫全球联盟 疫苗联盟组织。它们也相对稳定，但有时需要辅助化学物质来刺激免疫系统产生更强烈的反应。

所有亚单位疫苗的生产都需要活的生物体。对于乙型肝炎，酵母通过基因工程制造病毒蛋白，然后在大型发酵罐中生长。这种方法已经变得非常流行，大多数儿童接种的疫苗，如百日咳、破伤风和白喉，都是亚单位疫苗。这是已经存在了几十年的成熟技术， 彼得·霍特兹 贝勒医学院 说 ， 公司知道如何大规模生产重组蛋白。缺点是蛋白质疫苗的研制时间比大多数其他类型的疫苗都长， 增加了 尼古拉·彼得罗夫斯基 美国大学的疫苗科学家 澳大利亚阿德莱德的弗林德斯大学。

新型冠状病毒先导蛋白亚单位疫苗来自美国诺瓦瓦克斯公司。这种疫苗由两部分组成。首先，通过将刺突蛋白的基因序列编码到杆状病毒中而制成的重组蛋白纳米颗粒。然后这些病毒感染特殊的蛾细胞，这些细胞被培养以允许病毒制造刺突蛋白。这有使用细胞的所有相关缺点——生长昆虫细胞、用病毒感染它们、获取蛋白质都需要时间，同时还要避免污染。疫苗的第二部分是一种专有佐剂Matrix-M，它依赖于一种来自南美树皮的天然成分，Quillaja saponaria。这种化合物的供应可能会带来问题，因为它被用于其他一些疫苗，包括葛兰素史克公司的一种重磅带状疱疹疫苗。

到目前为止，Novavax尚未获得其疫苗的授权，但表示打算在2013年向欧洲、英国和美国监管机构申请授权 2021年第三季度。 今年3月,路透 报道 该公司“正在努力寻找一些原材料”。今年5月, 华盛顿邮报说 诺瓦瓦克斯至少要到7月才会在美国寻求紧急使用授权，“因为与一种化验相关的监管制造问题”。该报告还指出，原材料短缺正在推迟该公司实现制造目标的能力。该公司已与印度血清研究所达成协议，允许他们每年生产20亿剂，“但供应链问题迫使Novavax推迟了预测。” 根据《纽约时报》 , 路透社报道 该公司每月1.5亿剂的目标将持续到2021年第三季度。分析公司预测，2021年的总产量将达到3.48亿剂。

病毒载体疫苗

有 四种已批准的疫苗 它们依赖于病毒将制造刺突蛋白的配方传递给我们的细胞。这些疫苗分别是牛津大学(Oxford University)研发的阿斯利康(AstraZeneca)疫苗、加玛莱雅公司(Gamaleya)研发的俄罗斯人造卫星5号(Sputnik V)疫苗、强生公司(J&J)的一针疫苗和坎西诺生物制剂公司(cansinino Biologics)研发的一针疫苗。都依赖于活腺病毒。这种疫苗类型比通常认为的要新颖得多，直到2020年才首次获得批准(针对埃博拉病毒，由欧洲药品管理局批准)。

制造病毒载体疫苗并不是那么简单，因为它涉及在容器中以2000 l的规模培养哺乳动物细胞。“培养活细胞增加了这一过程的复杂性和可变性，”Kis说。“你必须喂养这些细胞，它们有自己的生命，表达基因，相互传递信号并分泌。”培育阿斯利康疫苗所需的细胞需要两个月的时间 人胚胎肾细胞 Kis补充说，通常只有在最后才会发现问题，一整批都被丢弃。

结果是，一些设施可能无法达到生产目标，而工业界在培养必要的生产细胞，然后引入并随后纯化疫苗所需的活病毒方面处于学习曲线上。阿斯利康宣布了一系列生产挫折， 在比利时 ,在 拉丁美洲 而在 荷兰 ． 强生告诉欧盟 今年3月，该公司在原料和设备方面出现了供应问题。“这很正常，因为这些都是快速发展的过程，”Kis说。 劳告诉化学世界 他听说强生在欧洲的一个工厂“腺病毒的产量一直很低”，他们正在努力排除故障。我们也犯了错误。美国合同制造商Emergent Solutions犯了错误，导致6000万剂强生疫苗被丢弃， 激烈的制药公司报道 ．该制造商还不得不在2020年丢弃了阿斯利康的一些批次。

也有迹象表明，俄罗斯正在努力生产如其希望的那样多的斯普特尼克5号，路透社的统计显示，截至5月12日，该国生产了3300万枚疫苗，出口不到1200万枚 中指出今天的业务 ． 俄罗斯的疫苗比强生和阿斯利康的疫苗更复杂，因为它涉及生产两种不同的人类腺病毒。Kis说:“他们正试图外包生产或寻找合作伙伴来生产。”

应对病毒载体疫苗生产挑战的一个解决方案是建立更多的工厂，但这需要时间，而且该领域的许多专家已经在忙于疫苗生产。“我们可以购买设备，我们可以建造工厂。但在生物技术领域，有能力的人是最重要的。而且这样的人并不多。” Vikgram Punia 他是一家私营生产商Pharmasyntez的首席执行官，说． 科学分析公司Airfinity预计，阿斯利康将生产22亿剂新型冠状病毒疫苗，强生将生产5亿剂主要疫苗，预计人造卫星5号将生产2.91亿剂，坎西诺腺病毒疫苗将生产2.07亿剂。

三角洲变异的出现增加了在全球生产和推广疫苗的紧迫性。最终，公司可能会为所有人提供足够的供应，但就目前而言，所有类别的疫苗在生产方面仍然面临挑战，包括新工艺、获得足够的原材料，以及获得或建造生产基地以及制造大量质量可靠的COVID-19疫苗所需的专业知识。

作者简介

安东尼·金是一名自由记者，常驻爱尔兰都柏林。他曾为《科学家》、《化学世界》、《国家地理》、《科学杂志》、《新科学家》和《爱尔兰时报》等出版物撰写关于SARS-CoV-2和/或疫苗的文章。他的文章涉及各种主题，主要是生物和化学，有时也涉及科学政策和制药业。他在推特上写道: https://twitter.com/AntonyJKing．