综述：提交至《生物技术进展》（Biotechnology Advances）杂志的论文主要稿件题为：“观点：‘膜’是mRNA（信使核糖核酸）在经济竞争中获胜的唯一机会”

《Biosystems Engineering》：Submission to Biotechnology Advances Main Manuscript entitled: Perspective: “Membranes: The only chance for the mRNA tortoise to win, economically”

mRNA下游纯化面临传统扩散受限树脂效率不足的挑战，本研究通过流体动力学分析指出，基于对流膜和单体系统的设备因分子扩散特性不构成障碍，可显著提升产能（103倍）并缩短工艺时间，推动工艺向膜系统转型。

　　

托马斯·G·纽曼（Thomas G. Neuman）| 苏里亚·卡尔拉（Surya Karla）| 詹姆斯（Chip）·基尔达夫（James Kilduff）| 乔尔·普劳斯基（Joel Plawsky）| 乔治·贝尔福特（Georges Belfort）

霍华德·P·伊瑟曼（Howard P. Isermann） 化学与生物工程系，伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute），纽约特洛伊（Troy, NY 12180），美国

摘要

RNA革命正在超越传统疫苗，发展为新的治疗模式和结构，如自扩增RNA（saRNA）和环状RNA（circRNA），这给下游纯化过程带来了越来越大的压力。长期以来被证明有效的蛋白质纯化技术——基于扩散限制的树脂方法——在处理mRNA时遇到了根本性的障碍：mRNA分子体积庞大（超过40纳米），且扩散系数极低（10^?11–10^?12 m²/s）。我们的研究基于核心化学工程原理，通过传输分析重新评估了已发表的性能数据，指出即使是最优化的灌注色谱树脂系统（其通过树脂颗粒的流量仅为总流量的0.1%），也无法克服这些扩散限制，从而实现高效的RNA纯化。相比之下，基于对流的设备（尤其是膜和单体材料）更具优势，因为它们的传输特性不受RNA分子扩散特性的限制。最终，压力驱动的流动方式有望大幅提高设备处理能力（提升10³倍），同时显著缩短处理时间并减小设备体积，从而显著提高生产效率。综上所述，我们需要转向基于对流的膜系统，以建立一个可扩展、经济可行且具有工业应用前景的mRNA纯化平台。

部分内容摘录

一个有前景的解决方案：识别挑战

在快速发展的时代，尽管存在一些公众质疑，RNA生物技术的巨大潜力仍确保了其进入临床应用。在分子设计、合成和递送方面的突破（例如伪尿苷的引入（Kariko等人，2008年）、使用RNA聚合酶（RNAP）进行体外转录（IVT）（Cemre Altun，2024年；Schaffter等人，2024年），以及脂质纳米颗粒（LNPs）的开发（Semple等人，2022年）等，都推动了mRNA生物技术的进步。

超越疫苗：需求的增长

mRNA生物技术的应用范围已远远超出疫苗领域，扩展到治疗其他疾病（Parhiz等人，2024年）。目前，mRNA正被研究用于蛋白质替代、通过CRISPR-Cas9进行基因组编辑，以及用于治疗囊性纤维化、癌症和转甲状腺素（TRR）淀粉样变性等健康问题（Parhiz等人，2024年）。然而，mRNA疗法的开发并不像疫苗那样简单。这是因为疫苗可以利用免疫系统发挥作用……

纯化技术现状

为了解决这一下游纯化难题，人们探索了多种策略。基于膜的大小排阻技术（如超滤（UF）、超滤/渗滤（UF/DF）和无菌过滤）常用于缓冲液交换和去除大量杂质（Guillen-Cuevas等人，2025年；Javidanbardan等人，2024年；Messerian等人，2022年；Messerian等人，2023年），但这些方法缺乏实现完全治疗效果所需的选择性。

从蛋白质纯化中汲取的教训

在RNA工艺开发过程中，人们倾向于借鉴蛋白质纯化的经验，因为蛋白质纯化中常用的亲和捕获步骤（如Protein A亲和层析）被广泛采用。然而，RNA的本质与蛋白质不同，这些差异正是当前制造方法效率低下的原因（见图3）。

多孔扩散树脂系统

尽管成本较高（Mencin等人，2023年），扩散树脂色谱法仍是mRNA下游处理的黄金标准。从表面上看，这种方法的吸引力不容忽视：树脂色谱法在生物制品制造中应用广泛，且具有较大的比表面积（通常比膜高出一个数量级以上）。然而，虽然蛋白质的扩散系数较大，能够克服某些传输限制……

案例研究：化学工程原理的应用

为了进一步说明对流介质相较于树脂分离器的更高效率，我们应用了化学工程原理。其中一个关键的参数是佩克莱特数（Pe），这是一个无量纲数，用于描述扩散时间尺度与对流时间尺度的比值。在色谱系统中，佩克莱特数用于比较流动相中的分子扩散时间（t_D）与分离器中的停留时间（t_R）之间的关系。

容量、生产效率与配体利用率

为了回答这个问题，将理论研究结果与实验数据相结合是很有必要的。多项研究展示了用于mRNA纯化的对流分离器的开发进展（Banik等人，2025年；Megusar等人，2023年；Mencin等人，2023年；Neuman等人，2025年），并比较了不同类型分离器的性能（Banik等人，2025年；Boi等人，2020年；Dewar等人，2024年）。其中，Dewar等人的研究特别有价值，因为它提供了直接对比……

结语

随着mRNA革命的推进，尤其是在政府补贴减少带来的经济压力下，下游工艺设计正处于一个关键转折点。长期以来被证明有效的基于扩散限制的树脂系统在处理mRNA时存在根本性局限。我们的分析表明，即使是为大分子纯化而设计的灌注树脂系统，也最终受到扩散限制的制约。

作者贡献声明

调查工作：TN和SK。初稿撰写：TN和SK。审稿与编辑：TN、SK、JP、JK和GB。概念构思：TN、SK和GB。资金获取：GB和TN。可视化制作：TN、SK和GB。资源协调：JP、JK和GB。项目监督：JP和GB。软件开发：SK和JP。方法论设计：GB、JK和JP。TN、SK、JP、JK和GB共同审阅并讨论了手稿内容。

资金支持

国家通用医学科学研究所生物分子科学与工程培训计划（National Institute of General Medical Sciences Biomolecular Science and Engineering Training Program）（T32GM141865项目，TN资助）。 霍华德·P·伊瑟曼生化工程奖学金（Howard P. Isermann Biochemical Engineering Fellowship，SK资助）。 霍华德·P·伊瑟曼奖学金（Howard P. Isermann Fellowship，TN和SK共同资助）。 BioNtech（A72221项目，GB资助）。 美国救援法案与NIIMBL ARP-8项目（UDR0000096项目，GB资助）。 伦斯勒理工学院捐赠教席基金（The Rensselaer Polytechnic Institute Endowed Chair Fund，项目编号140124，GB资助）。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系和个人关联： 乔治·贝尔福特（Georges Belfort）表示获得了国家生物制药创新研究所（National Institute for Innovation in Manufacturing Biopharmaceuticals）的财务支持。 托马斯·纽曼（Thomas Neuman）表示获得了国家通用医学科学研究所（National Institute of General Medical Sciences）的财务支持。 乔治·贝尔福特和托马斯·纽曼共同……

致谢

感谢所有在我们mRNA研究过程中给予帮助的人：Riddhi Banik、Claudia Hu博士、Yang Bai博士以及RPI学院的Todd Przybycien教授，他们参与了富有意义的讨论。TN和SK还要感谢乔治·贝尔福特教授讲授的许多课程，其中包括Cristiana Boi教授、Ruben Carbonel教授、Giorgio Carta教授、Alois Jungbauer教授、Ale? ?trancar博士、Rok Sekirnik博士、Daniel Anderson教授、Emily Voigt教授等人的精彩讲座。