综述：针对传染病的mRNA疫苗的冷冻干燥技术近期取得了进展

《International Journal of Pharmaceutics》：Recent advances in freeze-drying technologies for mRNA vaccines against infectious diseases

本文系统综述了冻干技术在提升mRNA疫苗稳定性中的应用及优化策略，分析了工艺参数、配方组成和复溶保护剂的关键作用，并探讨了工业化生产的挑战，为开发常温稳定疫苗提供理论参考。

　　

Jinghu Lou|Zhineng Wu|Yi Cheng|Meng Li|Nan Liu|Zengming Wang|Xiang Gao|Aiping Zheng|Hui Zhang

摘要

目前，mRNA疫苗的储存和运输通常依赖于超低温条件。为了提高其稳定性并延长保质期，最近的研究致力于利用干燥技术将液态制剂转化为固态形式。其中，冻干（冻干法）是一种有效的策略，它通过初级（升华）和次级（解吸）干燥阶段冻结样品并去除水分，最大限度地保持mRNA疫苗的结构完整性和生物活性。水分含量的显著降低有效抑制了mRNA的水解速率，而水解被认为是导致mRNA疫苗不稳定的主要因素。然而，冻干过程本身及其伴随的应力带来了关键挑战，这些挑战涉及许多与制剂组成、工艺参数和制造环境密切相关的关键变量。本文系统地回顾了不同冻干技术在mRNA疫苗中的应用以及冻干mRNA疫苗的优化策略，旨在为优化冻干过程、提高疫苗稳定性和扩展其应用范围提供理论基础和指导。

引言

基于信使核糖核酸（mRNA）的疫苗技术已成为对抗传染病的关键革命性工具，它具有快速的抗原设计能力、高效且低成本的规模化生产潜力，以及诱导强烈体液和细胞免疫反应的显著优势（Chaudhary等人，2021年；Qin等人，2021年）。这一巨大潜力在COVID-19大流行期间得到了充分验证：Moderna和BioNTech/Pfizer开发的脂质纳米颗粒（LNP）递送mRNA疫苗均表现出约95%的出色保护效果（Baden等人，2021年；Polack等人，2020年）；这突显了该技术在应对重大公共卫生危机中的关键作用。这一进展发生在针对COVID-19部署的各种疫苗平台中，包括病毒载体疫苗、灭活病毒疫苗和蛋白质亚单位疫苗，以及基于核酸的候选疫苗，每种疫苗都有其独特的优势和局限性（Abdolmaleki等人，2022年）。这种比较表明，尽管mRNA平台在设计和制造方面具有无与伦比的速度，但它们与其他先进平台一样面临一个关键挑战：需要复杂的制剂和储存解决方案以确保全球可及性。

然而，mRNA疫苗的广泛部署仍然面临严峻的挑战。它们固有的物理化学稳定性构成了限制其全球可及性的关键瓶颈，并直接导致严格的超低温储存和运输要求（Crommelin等人，2021年）。以BioNTech/Pfizer和Moderna的COVID-19 mRNA疫苗为例，对超低温冷链的严重依赖不仅显著增加了疫苗分发和储存的成本和操作复杂性，还严重限制了在资源匮乏和偏远地区的可及性（Uddin和Roni，2021年）。表1显示了商业mRNA疫苗之间的稳定性比较。因此，提高mRNA疫苗的稳定性并开发新的制剂，使其能够在常规冷链条件（2～8°C）甚至室温下稳定储存并具有更长的保质期，已成为必须紧急解决的核心目标，以实现全球公平可及性。

为了解决mRNA疫苗稳定性的问题，研究人员探索了各种策略，如优化脂质纳米颗粒（LNP）的脂质组成、筛选稳定的mRNA序列、进行核苷酸修饰以及开发新型递送载体（Stewart-Jones等人，2023年；Zhang等人，2020年；Zhao等人，2021年）。其中，控制水分活度以实现室温储存被视为突破现有瓶颈的关键途径。在这方面，冻干技术因其独特的低温真空干燥特性而脱颖而出（Abla和Mehanna，2022年）。该技术已被广泛用于热敏生物制品（包括小分子药物、核酸、蛋白质和抗体等）的长期保存（Kommineni等人，2022年）。通过在低温和真空条件下实现水的升华，冻干技术可以最小化对热敏生物大分子的结构损伤（Ghaemmaghamian等人，2022年；Preston和Randolph，2021年）。其核心优势包括：（1）整个过程在低温/真空条件下进行，有效保持mRNA-LNP产品的生物活性，即mRNA分子的完整性和LNP递送系统的转染效力；（2）形成稳定的玻璃态基质，生成的非晶态固体结构通过限制分子移动性显著抑制了水解和氧化等降解反应；（3）简单快速的复溶过程，有效恢复制剂的生物功能。这些特性共同使冻干技术成为解决mRNA疫苗冷链依赖问题的极具前景的方法。

本文系统地回顾了不同冻干技术（包括传统批次冻干、连续冻干、喷雾冻干等）的核心原理及其在mRNA疫苗中的应用进展，重点关注影响冻干效果的关键变量，包括制剂组成（如LNP脂质比例、缓冲系统）、冻干保护剂（糖类/聚合物的筛选和比例优化）、工艺参数（冷冻温度、初级干燥升华压力等）以及其他关键方面。同时，它还将深入探讨目前制备高稳定性冻干mRNA疫苗所面临的核心挑战，如建立和验证固态稳定性评估方法，以及在规模化生产中精确控制产品关键质量属性。本综述旨在为开发不需要超低温储存的下一代mRNA疫苗提供理论支持和技术参考。

部分摘录

冻干和冻干mRNA疫苗

冻干是一种通过低温脱水过程提高不稳定药物稳定性的干燥技术。该过程在低温下进行，有效避免了高温引起的热应力，特别适合干燥蛋白质、抗体、疫苗和其他类似制剂等热敏生物制品。

冻干mRNA疫苗的优化策略

冻干mRNA疫苗的稳定性和功能活性主要受其制剂组成和冻干过程的影响。因此，优化疫苗制剂以适应冻干过程，以及优化冻干过程和筛选最佳冻干保护剂，可以进一步提高其热稳定性。

冻干mRNA疫苗开发中的挑战

尽管各种疫苗和疫苗抗原的干燥技术取得了显著进展，但冻干mRNA疫苗的开发和工业化仍面临一系列独特而严峻的挑战。这些挑战贯穿于制剂设计、工艺开发、稳定性评估和质量控制等核心方面。

结论与展望

冻干技术通过提高mRNA疫苗的稳定性，有效克服了储存和运输的瓶颈，显著扩展了其临床应用。当前研究的核心挑战在于精确评估稳定性、合理设计冻干保护剂以及优化工艺可控性。未来的努力需要多学科合作，例如整合人工智能来加速冻干保护剂的筛选和应用。

CRediT作者贡献声明

Jinghu Lou：撰写——原始草案、方法学、研究、数据分析、概念化。Zhineng Wu：方法学、研究、数据分析、数据管理。Yi Cheng：方法学、研究、数据分析、数据管理。Meng Li：研究、数据分析、数据管理。Nan Liu：研究、数据分析、数据管理。Zengming Wang：方法学、研究、数据分析、数据管理。Xiang Gao：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。