大约一年前，除了少数科学家和公司之外，几乎没有人听说过 mRNA 疫苗。今天，数百万人将希望寄托在这些基于基因的免疫接种上，这些疫苗已成为对抗新冠疫情的中心舞台。但制造疫苗所需物资和材料的短缺可能会导致大范围的短缺，一些科学家表示。
首批 mRNA 新冠疫苗于 12 月开始运抵美国和其他几个国家的医院。一个首要问题是，制造这些疫苗的公司如何快速扩大生产规模以满足全球需求。这是 mRNA 疫苗首次在临床试验之外获得授权使用。它们的工作原理是诱骗人体自身的细胞制造一种病毒蛋白，从而引发针对感染的免疫反应。美国迄今已紧急授权两种新冠疫苗——分别由制药公司辉瑞和 BioNTech 以及生物技术公司 Moderna 生产——这两种疫苗都依赖于 mRNA。第三家名为 CureVac 的公司总部位于德国蒂宾根，目前有一种 mRNA 疫苗正处于后期临床试验阶段。特朗普政府在 12 月下旬与辉瑞达成协议，到 7 月底向美国额外提供 1 亿剂疫苗——是政府最初订购量的两倍。辉瑞及其合作伙伴 BioNTech 计划明年在全球生产和分销 13 亿剂疫苗。Moderna 计划生产 5 亿至 10 亿剂疫苗，其中 2 亿剂已分配给美国。
实现这些目标绝非易事。“世界上没有任何设施以前如此大规模地生产过 mRNA，”休斯顿贝勒医学院和德克萨斯儿童医院的病毒学家玛丽亚·埃琳娜·博塔齐说。辉瑞和 Moderna 一直在建立供应网络，以从临床生产转向大规模生产。但生产过程的每个步骤都需要原材料，在新冠疫情之前，这些原材料的产量仅满足临床研究的需求——“而不是数十亿剂的持续生产，”波士顿合成生物学公司 Ginkgo Bioworks 负责研发的执行官帕特里克·博伊尔说。
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这种 mRNA 疫苗的制造过程比通过在鸡蛋中培养减毒病毒制成的传统疫苗的化学过程快得多。制造商从新型冠状病毒“刺突”蛋白的基因构建模块的数字序列开始，病原体利用该蛋白进入并感染细胞。机器人装配线首先将该序列转化为 DNA 模板，然后再转化为 mRNA 疫苗物质。为了保护高度不稳定的 mRNA，疫苗生产商将其包装在油性脂质纳米颗粒中，这种纳米颗粒也有助于人体细胞的摄取。接种疫苗的细胞随后将在其表面制造和展示病毒刺突，以便免疫系统学会识别并在以后抵抗病毒。
根据美国政府问责办公室 (GAO) 11 月份的一份报告，生产这些疫苗所需的大部分物资供应短缺。在接受 GOA 工作人员采访时，制造厂人员描述了在获取试剂和某些化学品以及玻璃瓶、注射器和其他硬件方面面临的挑战。他们还提到“灌装和包装”设施短缺，这些设施用于将疫苗剂量装入无菌容器中，并且缺乏运行 mRNA 生产过程所需的专业技能工人。GAO 总结说，这种资源短缺可能会导致生产积压。
博伊尔特别指出，将 DNA 转化为 mRNA 的聚合酶（一种酶）和用于制造脂质纳米颗粒的成分是疫苗最关键的原材料。他还表示，制造商需要更好地获得一种名为牛痘病毒加帽酶 (VCE) 的稀有物质，这种物质有助于防止 mRNA 降解，并使其具有欺骗性的人类外观，以防止细胞的蛋白质制造机制排斥它。博伊尔的团队计算出，制造 1 亿剂 mRNA 疫苗所需的 10 磅 VCE 将会使生物反应器（用于进行生化反应的容器）的有限容量不堪重负，并耗资 14 亿美元。然而，博伊尔表示，随着制造工艺和提高产量的努力得到改进，VCE 的价格应该会下降。
这些短缺的影响在 11 月显而易见，当时辉瑞和 BioNTech 将他们表示 2020 年全球可生产的剂量从 1 亿剂减半至 5000 万剂。辉瑞没有说明哪些短缺影响了生产。但该公司生物制药全球供应链副总裁坦雅·阿尔科恩承认，今年秋季早些时候存在“一些扩大规模的问题”，她说这个问题此后已得到解决。“当您以这种速度运行时，每个人都需要同时扩大规模，”阿尔科恩说。“我们需要从我们的供应商那里获得更多，我们的工厂也需要优化运营绩效。”《纽约时报》报道称，辉瑞与美国政府达成的新协议取决于更好地获得专门材料，该公司并未公开披露这些材料。但阿尔科恩告诉《大众科学》，脂质纳米颗粒所需的“新的和独特的成分”是一个限制因素。Moderna 没有回应置评请求。
所需生产规模扩大的一个不确定因素是 mRNA 疫苗保护能持续多久。西雅图传染病研究所首席执行官科里·卡斯珀表示，专家们曾希望疫苗能刺激产生比自然感染高 4 到 10 倍的抗体水平。“但这并没有发生，”他说。“mRNA 疫苗效果很好：[在临床试验中] 对疾病的保护率约为 95%。但如果抗体迅速降至保护阈值以下，那么人们可能需要加强剂，”这将需要生产更多疫苗。包括 T 细胞在内的更广泛的免疫细胞有可能延长和维持 mRNA 诱导的保护，但这种情况仍然是一个悬而未决的问题。
幸运的是，mRNA 疫苗并不是唯一的选择。强生公司和阿斯利康等其他公司正在使用不同方法制造的新冠疫苗进行后期临床试验。理想情况下，这些努力将贡献数百万剂额外疫苗——不仅是为了迄今为止囤积近期供应的富裕国家，也是为了中低收入国家。后者包括 67 个国家，根据包括国际特赦组织和乐施会在内的人民疫苗联盟的分析，在这些国家，明年只有十分之一的人可能接种疫苗。“以前已经说过很多次了，但我们需要多管齐下，”卡斯珀说。