疫苗接種是保護全球數十億人的最有效、最具成本效益的方式，為全球健康做出了巨大貢獻。據世衛組織稱，免疫意識和政府舉措每年幫助預防 200 萬至 300 萬人死亡。 根據各個國家報告的數據，世衛組織估計，2021 年全球疫苗市場針對 47 種疫苗、有 94 家制造商中提供了大約 160 億劑疫苗（高于 2019 年的 58 億），包括 COVID 疫苗，價值 1,410 億美元（高于 2019 年的 380 億美元）。這一數字占醫藥市場的 10%（高于 2019 年的 4%）。
用于病毒和細菌蛋白亞單位疫苗純化的方法之前已有描述。多年來，疫苗開發技術有了顯著改進，從最早開發為減毒活或滅活病原體的疫苗到新菌株和新系統的工程化。基于植物或昆蟲幼蟲的系統作為替代性低成本平臺出現。為了開發針對新出現的 COVID-19 大流行的候選疫苗，已經開發了兩種新型平臺，即基于 mRNA 的疫苗和基于病毒載體的疫苗。由于其方法論的快速進步而率先進入市場。
下游純化：挑戰與機遇
每種疫苗都有其獨特的生產過程。從基于細菌的疫苗生產到基于病毒的疫苗生產（圖 1），下游工藝是疫苗生產中最復雜、要求最高的環節。
圖 1：疫苗生產示意圖
如圖 2A 所示，下游工藝旨在消除來自宿主細胞或培養基的污染物，通過實施多單元操作（例如柱層析、超濾（ UF）和洗濾（DF）等（圖2B）。
圖 2：下游純化示意圖
疫苗行業顯然需要并渴望變革和創新。這是由市場需求增加、產品短缺、監管要求增加、對產品可重復性、流程簡化以及協調的需求、以及滿足不斷變化的傳染病格局所推動的。該行業一直面臨著在盡快到達臨床的同時、產生投資回報的壓力。對于老一代產品，還存在確保產品質量和供應的壓力，同時還需克服設施、設備和遺留工藝老化帶來的挑戰。
純化技術和分析的進步
如圖 3 所示，下游技術進步由多種因素驅動，例如：
相關行業的技術進步激發了生物工藝新技術的發展。
提高分析工具的靈敏度。
來自學術界的創新思想。
來自提高表達水平的壓力。
對更高產量的需求。
增加去除雜質的監管要求。
這些需求為供應商和實驗室提出創新解決方案來應對下游挑戰創造了巨大機會。多年來，供應商和疫苗制造商共同努力開發生物工藝新技術和解決方案，例如共同開發無菌填充床層析系統以及用于純化不可除菌的病毒疫苗的一次性全封閉系統。
圖 3：純化技術發展的主要驅動力
在疫苗工藝開發中實施新的純化技術
過去三十年純化技術和分析工具的發展和突破使疫苗行業受益。例如，高通量工藝開發和分析工具的可用性加速了疫苗工藝開發，并有助于縮短工藝開發周期時間，從而加快概念的臨床驗證并縮短上市時間。將一次性技術引入生物工藝簡化了新生產線和設施的建立，增加了疫苗工藝開發和生產的靈活性。連續生產在疫苗生產中的新興概念和應用將進一步有助于降低商品成本和資本支出，同時由于穩態運行而確保產品質量始終如一。
之前曾報道過使用高通量液體處理系統進行純化開發可顯著節省時間。結果表明，雖然在傳統方法下完成 24 種填料篩選研究需要大約兩個月的時間，但使用高通量液體處理系統僅需八天。此外，一次性技術的應用被發現產生了顯著的經濟效益，例如與傳統的硬管道設施相比，資本成本降低了高達 40%，同時，通過縮短進入臨床的時間而節省資金。
實施最先進的分析工具，以支持疫苗開發
新疫苗的開發高度依賴于其設計和評估分析方法的可用性。如表 2 所示，過去三十年分析技術取得的重大進步，改進了疫苗開發的測試范式，同時也支持現有的疫苗生產和質量控制。
表 2：疫苗開發中使用的先進分析方法總結。
mRNA 提供新疫苗的潛力
世界上第一個基于 mRNA 的 COVID-19 疫苗的迅速交付使 mRNA 技術的前景成為人們關注的焦點。 如表 3 所示，與傳統疫苗不同，基于 mRNA 的疫苗（例如輝瑞和 Moderna COVID-19 疫苗）為人類細胞提供了制造觸發免疫反應的蛋白質的藍本。mRNA 的生產與序列無關，這使其對不同的病原體具有高度適應性。
表 3：傳統疫苗與基于 mRNA 的疫苗的比較
與傳統疫苗相比，mRNA 最重要的優勢之一是其生產相對簡單，且與序列無關，從上游工藝（包括 mRNA 的酶促生成）和下游工藝（包括純化 mRNA 產品所需的多單元操作）到脂質納米顆粒 (LNP) 制劑和灌裝/完成步驟。
由于缺乏成熟且具有成本效益的工藝，下游工藝以及灌裝/完成仍然是 mRNA 疫苗生產的主要瓶頸。盡管行業在努力開發獲得高純度產品的方法，但大多數方法都與傳統的沉淀或核酸酶消化技術相結合。此外，大多數方法都不具有成本效益。具有成本效益的替代技術，例如單程切向流過濾 (SPTFF) 或水性兩相系統 (ATPS)，可以在連續模式下應用，可能會縮短工藝時間，提高生產靈活性，同時降低成本，并保持質量。此外，新的層析操作模式，例如復合模式層析，可以克服對多個 mRNA 純化步驟的需求。
結論
多年來，純化技術取得了重大進展，推動了更高產量和更高質量的產品。然而，疫苗和生物行業仍然面臨著降低成本、提高質量和產量以及提供解決方案、以滿足未滿足的醫療需求的壓力。本文展示了疫苗純化方法創新的好處及其影響。這項工作將需要繼續強化整個產品開發過程，特別是下游純化以及引入 mRNA 等新方法引起的復興。
