文章介绍了这一开发过程，并强调使Pfizer能够以前所未有的速度前进的关键因素，同时遵守正常疫苗开发要求，以生成监管机构评估疫苗安全性和有效性所需的信息，包括质量和生产标准。这也是Pfizer和BioNTech如何利用其综合技能和经验来应对全球健康危机的故事，以迅速推进该计划，同时确保符合高质量标准，并将患者安全放在首位。文章重点介绍了有助于Pfizer成功的多个其它因素。本文为原文内容简介，详细内容，请查看原文。

简介

2020年初，导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒迅速成为全球健康危机。由于Pfizer与BioNTech在流感mRNA疫苗方面正在进行的合作，两家公司看到了重新调整工作方向、以应对这一历史性挑战的潜力。为此，2020年3月17日，Pfizer和BioNTech开始合作，加速BioNTech基于mRNA的疫苗计划BNT162，该计划旨在通过利用两家公司的专业知识和资源开发一种疫苗，帮助预防COVID-19疾病。mRNA疫苗的工作原理是通过脂质纳米颗粒（LNP）将mRNA分子递送到体内细胞。一旦进入细胞，mRNA被转录成蛋白质抗原。对于Pfizer-BioNTech COVID-19疫苗开发计划，临床试验包括产生SARS-CoV-2受体结合结构域亚基蛋白和[野生型]刺突蛋白作为靶蛋白的候选疫苗（图1）。然后，身体将蛋白质抗原识别为外来物并产生免疫反应，使身体能够识别并帮助对抗未来的COVID-19疾病。快速构建从设计到生产的时间表以及利用无细胞mRNA药物底物（DS）合成的平台工艺的使用，为mRNA疫苗提供了比传统疫苗更明显的速度优势。LNP使mRNA能够有效地直接递送到可以产生蛋白质的细胞中。LNP由4种不同的脂质组成。使用新型LNP递送mRNA的这些优势需要使用先进的药物产品（DP）生产技术，这些技术经过精心但迅速地升级，并被用于生成多个初始构建体。如果需要，联合使用DS和DP的战略性生产将使我们能够快速转向新的构建体，以在监管机构达成监管路径后，用于应对出现的变异株。

图 1. Pfizer/BioNTech COVID-19疫苗BN162b2的选择，SARS-Cov-2刺突蛋白3D-结构图像由Wrapp等人制作。

通常，传统的疫苗开发过程需要10年或更长时间，但大流行需要更快的反应。在领导层的支持下，利用Pfizer多年的疫苗开发专业知识，且在一定的风险承担下，我们战略性地并行开展各项工作，这些工作通常在传统环境中按顺序发生。例如，在收到任何临床数据信息之前，我们已经与原材料供应商进行了讨论，以满足全球大流行的需求，并为商业DS和DP的成功做准备。

对于第一个风险，我们迅速启动了4种候选疫苗的开发，其中有3种不同的RNA平台（uRNA，modRNA和saRNA）（见图1），等到获得初步临床数据后，我们开始专注于先导候选疫苗。如图2所示，在创纪录的9个月中，Pfizer将BNT162b2从研究启动阶段推进到紧急使用授权。

图 2. COVID-19 mRNA疫苗的开发时间表。

在以下各节中，我们将介绍使这一旅程成为可能的关键成功因素。

与供应商合作，建立关键原材料的“未来”供应

由于mRNA是疫苗生产的一种新方式，而且生产应对全球大流行需要数十亿剂疫苗，因此在该计划开始时成立了一个致力于制定原材料采购策略的跨职能团队。该团队负责与主要供应商建立大批量供应合同，以提供关键原材料，如酶、核苷酸、加帽试剂、缓冲液成分、工艺材料和脂质。这需要与供应商迅速建立和健全合作伙伴关系，这些供应商可以开发、放大和质量确认生产流程，并确保必要的质量和供应链需求，不仅用于初始供应，而且满足未来的长期供应需求。它涉及在临床结果出现之前，订购“前所未有”的大量可能存在风险的原材料，并继续与供应商密切合作，以预测潜在的未来供应需求。

利用药物底物 mRNA 生产平台（质粒 DNA 模板）

mRNA生产的一个关键起始材料是编码抗原的DNA模板。在Pfizer，我们利用了Pfizer基因治疗项目中的先前质粒DNA（pDNA）生产技术。这涉及在5种独立的E.Coli细胞系中平行筛选针对每种候选疫苗的4个质粒。这些转染的细胞系在小规模摇瓶中快速筛选，以获得有利的DNA拓扑结构（即高超螺旋DNA，低开环和线性DNA）和滴度，以缩小到前2个先导细胞系。然后将这前2个pDNA先导细胞系在实验室规模的生物反应器中放大，并对pDNA进行纯化、线性化和分析，以根据最佳DNA拓扑属性、细胞生长和滴度选择顶级细胞系。然后，在仍然存在风险的情况下，为4种潜在候选疫苗中的每1种的每种顶级先导细胞系制备主细胞库（MCB）和工作细胞库。Pfizer位于美国密苏里州Chesterfield的现有大型pDNA生产工厂最初用于制造DNA模板，然后最终将技术转移给Pfizer位于美国马萨诸塞州Andover的DNA模板生产工厂。

利用药物底物生产平台（mRNA药物底物）

从早期的pre-MCB实验室规模的线性DNA模板供应开始，mRNA工艺开发团队的任务是首先将mRNA生产的知识转移到密苏里州Chesterfield的Pfizer生物工艺开发实验室，最终目标是将工艺规模放大到马萨诸塞州Andover的商业化规模。实验室规模团队的供应用于a）确认工艺转移，b）为分析方法开发和早期制剂/稳定性开发提供材料，以及c）确认工艺具有放大生产的必要先决条件。这需要Chesterfield团队与位于纽约州Pearl River的Pfizer疫苗研究开发（VRD）团队和位于德国Mainz的BioNTech开发团队之间的密切三方合作。

现有Chesterfield实验室空间的一部分被转换为为mRNA生产提供无RNase的环境。从一开始，就决定将可抛弃型（一次性）生物反应器系统用于实验室规模和商业化大规模生产。之所以决定这样做，有几个原因：RNase控制、在所有规模条件下设备的快速周转以及设备的可用性。对于RNase控制，高压灭菌是不够的，焦碳酸二乙酯处理是灭活RNase的典型途径，但需要额外的时间和精力。此外，通过使用一次性设备，无需清洁，因此开发和生产设备都可以快速周转。此外，随着速度的提高，我们需要使用现有的设备生产各种规模的材料。尝试购买额外的设备需要很长时间才能接收和安装。利用我们在小规模一次性生物反应器系统（如 AMBR15 和 AMBR250）方面的经验及其对生产规模系统的历史精确性，体外转录（IVT）工艺开发团队使用这些系统来开发用于规模放大的生产工艺。当我们使用这些系统的卫星研究对规模放大过程进行认证时，这些实验室系统被用于工艺表征研究，以支持工艺性能确认（PPQ）活动。

在为IVT步骤选择潜在的大规模生物反应器时，利用生产网络中的现有生物反应器系统至关重要，因为没有时间订购、安装和验证新的生物反应器系统。我们最初使用一次性混合系统和一次性生物反应器，其体积可达50 L，并进一步扩大到>100 L的体积，用于IVT单元操作。由于IVT装置操作选择的这些生物反应器的叶轮配置和形状不同，我们利用计算流体动力学建模为不同的生物反应器开发协调的混合控制策略，以确保质量和一致性。位于马萨诸塞州Andover的一家临床生产工厂被重新用于进行最初的规模放大和PPQ工作。利用Pfizer全球供应（PGS）质量和验证团队的专业知识，对于mRNA DS工艺的成功验证/ PPQ至关重要。该DS工艺随后也在德国Mainz和Marburg的BioNTech生产工厂以及位于马萨诸塞州Andover的Pfizer工厂进行了验证。

在选择和利用现有最终纯化的 DS 袋时，使用一次性容器的策略也很有用，其在 LNP DP 制剂之前需要冷冻。

Pfizer的项目管理系统确保了所有DS生产工厂全面且协调的控制策略，以确保关键质量属性和工艺性能的连续性。在一些情况下，由于全球大流行期间国内和国际航班的可用性有限，因此有必要使用Pfizer航空团队来确保满足时间表，以确保关键物资的运输。

脂质纳米颗粒

LNP是COVID-19疫苗取得全面成功的基石。mRNA是一种尺寸较大且高度敏感的化合物，在给药到体内时很容易降解。为了产生所需效果，需要mRNA横穿细胞膜并进入细胞质基质，以翻译成所需的蛋白质。然而，由于化合物的大尺寸和负电荷，它很难做到这一点。这就是LNP的作用所在：它们封装mRNA并帮助递送到细胞中，以实现编码刺突蛋白、以产生免疫反应的下游效应。总而言之，LNP的纳米尺寸、亲脂性和仿生特征有助于其将mRNA递送到细胞的细胞质中，以开始翻译，如图3所示。

图 3. 细胞摄取载mRNA LNP、刺突蛋白合成以及免疫系统激活的机制，以提供针对SARS-CoV-2病毒的长期保护。

LNP由4种脂质制成，这些脂质提供（1）结构完整性、（2）驱动mRNA加载，然后在细胞内释放，以及（3）在体内稳定，以及产品的保质期。第一种基于LNP的产品于2018年获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准，即ONPATTRO®，它提供短干扰RNA，以治疗由遗传性转甲状腺素淀粉样变性引起的多发性神经病。BNT162b2中的4种脂质包括可电离阳离子脂质（即ALC-0315）、胆固醇、二硬脂酰磷脂酰胆碱和聚乙二醇共轭（PEG化）脂质（即ALC-0159）。LNP的发展源于对纳米颗粒的研究，这些纳米颗粒在生物学上模仿细胞壁的双层结构并且“隐身”，避免了从体内快速清除。可电离阳离子脂质能够在低pH下使mRNA络合，因为脂质具有静电结合mRNA的电荷，然后在生理pH下变为中性，以减少毒性。COVID-19疫苗中使用的可电离阳离子脂质ALC-0315旨在提供更短的人体循环半衰期（即更易生物降解），并且更有效地将mRNA递送到细胞中。ALC-315和PEG化脂质ALC-0519是Acuitas许可的专有脂质，他们在生产第一种COVID-19 mRNA疫苗的过程中与BioNTech和Pfizer达成了合作。

mRNA药物-产物“平台”工艺：艰巨的努力

Pfizer-BioNTech COVID-19疫苗药物产品被严格开发成一个平台工艺。该项目被尽可能地迅速推进，同时确保疫苗开发的正常参数，包括我们的标准合规性、安全性和质量标准。通过利用Pfizer现有的多样化生物药产品组合，可以实现这一努力，这些产品组合整合在4个研发站点，涵盖大小从<20 kDa到>500 kDa的分子，以及从基因疗法到纳米药物的模式。为不同模式的关键质量属性建立一种可平台化的方法，同时了解它们的独特差异，这是这种开发过程的关键。Pfizer对单克隆抗体的深刻理解和交叉知识，对Pfizer来说是非常有利的一点，这包括制剂（高阶结构、给药途径和适应症）、工艺（配混、过滤和灌装）、容器封闭系统（西林瓶、塞子、顶封和注射器）以及分析（仪器、方法开发、验证和数据分析）知识，以有效开发 BNT162b2。高通量分析和高度组织化的团队对于实现科学支持的决策至关重要。严格开发的工作重点是利用正确的生产和工艺参数来制备LNP。所有脂质组分的正确比例是潜在关键生产参数的一个例子。脂质与mRNA水相以规定的比率和流速通过设定的流路，以策略性混合，从而获得加载mRNA的自组装LNP，如图4所示。

图 4. mRNA药物-产物平台工艺：使用专有的T-混合工艺，以固定比例和流速通过设定的流路，将水相液流与有机相液流混合，使mRNA与LNP制剂自组装形成nm大小的颗粒。

mRNA-LNP DP的规模放大过程是一项艰巨的努力，其战略重点是强有力的领导、深思熟虑的决策、多方面的并行开发以及专门的团队合作。从实验室规模批次到大规模生产批次的工艺规模迅速放大。位于密歇根州Kalamazoo和比利时Puurs的生产站点协同工作，在惊人的100天内建立了制剂实验室，设计了工业流程，并生产了第一批BNT162b2。许多工作都是在仍存在风险的情况下进行的，即仍在等待最终候选疫苗的决定，并希望临床试验取得成功。由于COVID-19在全球范围内迅速蔓延，导致重大疾病和死亡，产品开发时机至关重要。为了大规模生产，需要过量供应所有成分。Pfizer开发并生产了大量生产疫苗所需的原材料。例如，阳离子脂质ALC-0315不容易大量获得，以生产数百万剂疫苗。生产阳离子脂质ALC-0315的工艺是在位于康涅狄格州Groton的Pfizer站点开发的。然后在密歇根州Kalamazoo的站点扩大了规模，到2022年7月，每周可生产超过20kg的脂质，这足以满足数百万剂疫苗的需求。

分发和冷链物流

在取得显著的疫苗开发进展之后，在全球大流行中进行全球疫苗分发面临了前所未有的挑战。Pfizer通过开发可在运输过程中保持疫苗温度以及在目的地短期储存的可充电容器，解决了DP在超低温（-80°C至-60°C）下储存和运输的需求。这些工作与向FDA证明最终DP稳定性的结果是一致的，包括2021年2月提交的在-20°C下稳定两周以及2021年5月提交的在2-8°C下稳定1个月的结果。

总结

开发第一种获得紧急使用授权、以帮助预防COVID-19的疫苗是Pfizer和BioNTech的一项惊人壮举。最重要的是，我们遵守正常的疫苗开发要求，以生成监管机构要求的信息，并生成评估疫苗的安全性和有效性所需的信息，以帮助预防COVID-19，包括重要的质量和生产标准。为了应对全球健康危机，我们利用丰富的经验并迅速推进了我们的项目，同时确保了严格的合规性和质量标准，并专注于安全性。此外，我们的成功还需要多个其它因素，包括明确的目标期望和领导层的支持、深思熟虑的决策、24/7的承诺、每个人的“全力以赴”、机构参与和协作、快速审查、多方面的并行开发，在科学允许的范围内尽快行动，端到端的直接直线互动、沟通，明确的项目规划，角色和责任，以及在此过程中庆祝成功。这一壮举不是孤立实现的，我们与该领域的专家建立了牢固的合作伙伴关系，从而为生产最终产品提供了优势。

原文：C.R.Thorn, D.Sharma, R.Combs, et al., The journey of a lifetime — development of Pfizer’s COVID-19 vaccine. Current Opinion in Biotechnolgy, 2022, 78.