Moderna Therapeutics 使用 AWS 以更低成本更快提供 mRNA 药物

Moderna Therapeutics 创建于 2010 年，目标是兑现信使 RNA (mRNA) 科学针对未解决的患者需求找出新药物的承诺。该公司的焦点领域包括传染病、癌症/免疫-肿瘤学、心血管代谢疾病，以及罕见的肝脏和肺部疾病。包括内部和合作项目在内，Moderna 的开发管道中共有 16 种 mRNA 药物：九种预防疫苗、两种治疗疫苗以及五种治疗药物。这些药物中有七种已进入临床研究或人体研究，包括一种免疫-肿瘤学治疗。

新药的上市可能需要十年之久，耗资超过 10 亿美元。对于传统的小分子药物开发和生物技术公司开发的生物制剂（例如，重组蛋白和单克隆抗体）都是如此。这种长期限和高成本的原因包括试验周期时间过长以及需要为研究或生产的每种药物设计定制的设施。另一种障碍是要求符合复杂的药品非临床研究质量管理规范 (GLP)、药品生产质量管理规范 (GMP) 和美国食品与药品管理局 (FDA) 21 CFR Part 11 法规—统称为 GxP。生物技术公司和传统制药公司都面临着附加的挑战，例如阻挠协作并形成重要见解的孤立数据，以及本地数据中心无法灵活地支持科学工作流和高性能计算。

Moderna 的创建者认识到使用 mRNA 作为药物输送机制将会打开非传统药物开发途径的大门，有可能克服其中的很多挑战。“传统药物必须在工厂中生产，然后送入患者身体，”Moderna Therapeutics 信息学总监 Dave Johnson 说。“信使 RNA 药物告诉患者身体如何产生药物本身，有点类似生物软件。”

为了最大化 mRNA 类药物的潜能，Moderna 需要能够支持强大且可扩展的计算以及自动化和企业级数据集成的 IT 基础设施。

考虑到这些目标，Moderna 很早就开始使用 Amazon Web Services (AWS) 云，AWS 成为助力公司的药物研究、开发和生产流程的核心组成部分。在 AWS 云中，Moderna 拥有根据高性能计算、数据集成、强力分析、实验室和生产流程自动化以及适用法律、规则和法规的合规性完成 IT 策略所需的每种要素。“AWS 技术结合 AWS 参与度和关系模型，在云提供商中无人能比，”Moderna 首席数据官 Marcello Damiani 说。“假定我们公司规模较小但雄心勃勃，则 AWS 对于我们的数字化策略至关重要。”

AWS 云强大而灵活的计算能力帮助 Moderna 获得了堪称其业务模型核心原则的速度、可扩展性和低成本。Moderna 科学家在开发 mRNA 药物时，首先访问在线目录以选择蛋白质作为进一步设计的起点。此目录是 Moderna 的 Drug Design Studio (DDS) 的组成部分—这种专利的内部开发 Web 应用程序托管在 AWS 上。DDS 使用计算算法找出对特定医学效果最佳的 mRNA 序列。

这些工作负载的工作量各不相同，因此 Moderna 使用 Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) 结合 Auto Scaling 根据需要增加新实例或减少实例。使用 Amazon EC2 竞价型实例，Moderna 需要支付的成本比按需型实例降低多达 90%。使用 Amazon EC2 竞价型实例时，如果其他用户的出价高于 Moderna 的“不超过”标价，则实例将关闭，但是这不会损害 DDS 计算工作负载，因为可将该工作负载暂停。

DDS 应用程序将计算任务提交给集群主微服务，由该微服务使用 Amazon Relational Database Service (Amazon RDS) 存储它们并在 Amazon Simple Storage Service (Amazon S3) 中替换每个任务的相关数据。接下来，任务被推送到 Amazon Simple Queue Service (Amazon SQS) 中。Amazon EC2 实例提取任务、处理工作并使用 Amazon SQS 将结果返回集群主节点，然后由其使用 Amazon SQS 和 Amazon Simple Notification Service (Amazon SNS) 通知 DDS 应用程序工作已完成。下了特定 mRNA 结构的订单之后，它将被发送到 Moderna 的临床前生产设施中生产。该设施高度自动化以确保高吞吐量，每个月可以生产多达 1,000 个此类结构。然后，Moderna 或其合作伙伴通过临床前或动物研究评估该结构，以了解是否能将它们申报为开发候选物并推进到临床阶段。

为了生产临床级 mRNA 治疗药和疫苗以在人体研究中使用，Moderna 建造了占地 200,000 平方英尺的符合药品生产质量管理规范 (GMP) 的设施，计划于 2018 年运营。该设施的质量、供应链和 GMP 流程受到 Moderna 在 AWS 云中构建的 GxP IT 环境推动，实现了完全集成的应用程序生态系统。这个生态系统的基石是 SAP S/4HANA ERP，它使用 AWS 服务连接到生产设备、机器人以及其他不可或缺的系统，例如 LabVantage 实验室信息管理系统 (LIMS)、Emerson Syncade 制造执行系统 (MES) 和 OSIsoft PI 数据历史记录解决方案。

Moderna 还使用 Amazon Redshift 作为简单实惠的数据仓库，以避免出现数据孤岛并为公司数据建立单一数据源。使用 Amazon Redshift 作为中央存储库，公司能够一次获取所有数据，几乎无需人工操作，同时使用商业智能数据-科学工具让客户能够达到信息可视化，以帮助他们找出关联、形成见解并做出决定。备份推送到 Amazon S3，它的可扩展性很高，并可提供 99.999999999% 的年持久性、版本控制、跨区域复制，以及强大的备份和灾难恢复能力。

Damiani 说，拥有生命科学专业知识的 AWS 专业服务顾问对于帮助 Moderna 在 AWS 云中构建这种完全通过验证的环境至关重要。“AWS 顾问帮助我们建立方法的框架以验证此环境，并提供基本文档帮助我们完成此任务，”他解释道。“在他们的帮助下，我们在 AWS 云中推出了此前从未放入云中的经过验证的系统。”

依靠 AWS 云，Moderna 可以压缩候选药物进入临床研究所需的时间，提高其研究、开发和制造流程的敏捷性，并获得仅仅在几年前就无法企及的成果，例如个性化的癌症疫苗。

由于 IT 基础设施托管在 AWS 云中，Moderna 实现了异常快速的临床前药物开发。例如，在 Moderna 当前正在进行临床试验的七种疫苗中，有一种（针对寨卡病毒）仅用了一年就到达了该阶段。“借助 AWS 计算和集成能力，结合我们的专利 Drug Design Studio，我们的科学家能够获得关于独特蛋白质的观点，当天就在线下订单，不到一个月就能运行临床前试验，”Damiani 说。“在传统制药研究和开发中，需要几年时间才能到达该阶段，而您甚至已经在准备临床前研究，大幅减少了药物在人体中的测试次数。”

使用 AWS 基础设施还可帮助 Moderna 避免传统药物开发的高成本。“在我们自己的数据中心获得我们在 AWS 上拥有的计算能力将需要耗费数百万美元，”Johnson 说道，并指出公司的 AWS 基础设施只需要一名员工来管理。“通过 Amazon EC2 竞价型实例能够以非常合理的价格获得巨大的计算能力。”

AWS 服务还使得 Moderna 能够更轻松地满足其数据集成、保护和质量的目标。“传统制药公司设有巨大的 IT 组织来设法为旧式技术保持容量以及强制适应的备份和灾难恢复解决方案，”Damiani 说。“在 AWS 云中，我们从不需要担心容量，备份和灾难恢复也简单到不能再简单。”

AWS 还帮助 Moderna 验证其 GxP 合规性，与在本地数据中心相比容易得多。“验证流程不仅得益于 AWS 安全控制和隔离功能，也离不开 AWS 顾问的协助，”Johnson 说。“AWS 人员不仅熟知技术，还拥有丰富的监管经验并且真正了解我们的行业，能够与他们合作，价值不可估量。”

Damiani 说，AWS 云对于帮助 Moderna 在那么短的时间内达成目标必备的灵活性和敏捷性非常关键。“AWS 是一个卓越的创新平台，因为它很简单，您可以尝试新事物并了解它们如何为您服务，”Damiani 说。“使用 AWS 已成为重要的工具，帮助我们快速地成长为拥有 550 名员工的生物科技公司，目前我们的管道中已有 16 种药物。不久之后，我们就能够生产针对患者的单个基因特征定制的 mRNA 药物。这实际上展示了 AWS 云的力量以及我们在数字化策略中使用并促进开展业务的通用方法。”