Біотехнологічний алгоритм скринінгу речовин з активністю проти коронавірусів
| dc.contributor.advisor | Соловйов, Сергій Олександрович | |
| dc.contributor.author | Сметюх, Михайло Петрович | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-29T12:43:24Z | |
| dc.date.available | 2026-05-29T12:43:24Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Сметюх М.П. Біотехнологічний алгоритм скринінгу речовин з активністю проти коронавірусів. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 16 Хімічна та біоінженерія за спеціальністю 162 Біотехнології та біоінженерія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Робота присвячена розробці біотехнологічного алгоритму до швидкого виявлення та обґрунтованого відбору перспективних протикоронавірусних сполук в умовах постійної еволюції SARS-CoV-2. Актуальність дослідження зумовлена появою нових варіантів вірусу з підвищеною трансмісивністю та здатністю частково уникати імунної відповіді, а також ризиком розвитку резистентності до наявних препаратів. Крім того, перевірка великої кількості кандидатів на доклінічному етапі потребує значних ресурсів і часу. У зв’язку з цим у роботі запропоновано інтегрований алгоритм скринінгу, який поєднує in silico-аналіз, оцінку ADME-показників, експериментальні in vitro дослідження цитотоксичності й противірусної активності з використанням клітинних технологій. Такий підхід дозволяє системно відбирати найбільш перспективні сполуки та раціонально спрямовувати ресурси на їх подальшу доклінічну розробку. Запропонований алгоритм передбачає поетапну інтеграцію результатів комп’ютерного моделювання, фармакокінетичного прогнозування та експериментальних біологічних досліджень, що забезпечує підвищення обґрунтованості відбору кандидатних молекул. Реалізація такого підходу дозволяє зменшити кількість сполук, що потребують подальшого експериментального тестування, та оптимізувати процес пошуку нових противірусних агентів. Отримані результати формують методичну основу для більш ефективного проведення доклінічних досліджень та переходу до клінічних досліджень потенційних протикоронавірусних препаратів. Метою роботи є розробка біотехнологічного алгоритму скринінгу речовин з активністю проти коронавірусів. Результатом роботи є розроблений, теоретично обґрунтований та експериментально апробований біотехнологічний алгоритм скринінгу сполук із потенційною активністю проти коронавірусів. Створено та апробовано безпечну біотехнологічну систему для оцінки противірусної дії, проведено молекулярне моделювання кандидатів із визначенням їх афінності до ключових вірусних мішеней і прогнозуванням ADME-профілю, виконано in vitro дослідження цитотоксичності та противірусної активності, а також визначено індекси селективності досліджуваних речовин. На основі отриманих даних сформовано підхід до пріоритизації кандидатів і розроблено біотехнологічний алгоритм скринінгу потенційних протикорона вірусних засобів. Вперше розроблено та науково обґрунтовано інтегрований поетапний біотехнологічний алгоритм відбору сполук з потенційною активністю проти коронавірусів, який поєднує результати молекулярного докінгу, оцінку ADMEпоказників, експериментальні дослідження цитотоксичності та противірусної активності in vitro, а також елементи математичного моделювання клінічної ефективності в єдину систему прийняття рішень. Запропонований алгоритм забезпечує раннє відсіювання малоперспективних кандидатів та оптимізацію переходу до наступних етапів доклінічної розробки. Удосконалено підхід до пріоритизації досліджуваних сполук шляхом впровадження комплексної критерійної оцінки, що інтегрує показники афінності зв’язування з вірусними мішенями, цитотоксичності, противірусної активності. Такий підхід підвищує обґрунтованість відбору порівняно з аналізом окремих параметрів і зменшує ймовірність помилкової інтерпретації результатів. Отримано експериментальне підтвердження узгодженості між результатами моделювання in silico та показниками противірусної активності in vitro, що свідчить про практичну придатність запропонованої стратегії для прискореного скринінгу сполук і можливість її адаптації до нових варіантів коронавірусів та змін молекулярних мішеней. Практичне значення роботи полягає у розробці та впровадженні біотехнологічного алгоритму скринінгу й обґрунтованої пріоритизації потенційних противірусних сполук на доклінічному етапі досліджень. Запропонований підхід поєднує in silico аналіз, визначення цитотоксичності та противірусної активності, а також систему прийняття рішень щодо доцільності їх подальшої доклінічної розробки. Його застосування дозволяє зменшити кількість додаткових експериментів, підвищити селективність відбору сполук, оптимізувати використання лабораторних і фінансових ресурсів та адаптувати процедуру скринінгу до нових вірусних варіантів і молекулярних мішеней. Результати роботи впроваджено (додаток 1): 1. У медичну практику впроваджено підходи до математичного моделювання зниження інфекційного титру вірусу, прогнозування змін якості життя пацієнтів та моделювання динаміки зникнення клінічних симптомів — у Державній установі «Національний науковий центр фтизіатрії, пульмонології та алергології імені Ф. Г. Яновського НАМН України». 2. У лабораторну практику впроваджено створену біотехнологічну систему «клітина–вірус–сполука» та підходи до адаптації вірусу до умов культивування — у ДУ «Київський обласний центр контролю та профілактики хвороб МОЗ України». 3. У навчальний процес впроваджено матеріали та методичні підходи, розроблені в межах дисертаційного дослідження, — у Національному університеті охорони здоров’я України імені П. Л. Шупика МОЗ України. 4. У науково діяльність впроваджено біотехнологічний алгоритм скринінгу потенційних противірусних засобів — у ТОВ «БІОПРО СТЕМ ТЕХНОЛОДЖІ». У першому розділі розглянуто біологічні особливості коронавірусів, їх еволюцію та роль у виникненні епідемічних і пандемічних спалахів. Проаналізовано молекулярні механізми реплікації вірусу та визначено ключові вірусні мішені, що можуть використовуватися для розробки противірусних препаратів, зокрема головну протеазу. Також узагальнено сучасні підходи до пошуку та скринінгу сполук із противірусною активністю. У другому розділі наведено характеристику матеріалів та методів, використаних у дослідженні. Описано підходи до проведення in silico-аналізу, експериментальних досліджень у клітинних культурах, а також методи визначення цитотоксичності та противірусної активності досліджуваних сполук. Третій розділ присвячено створенню безпечної біотехнологічної системи для дослідження потенційних протикоронавірусних сполук. Проведено біоінформаційне обґрунтування вибору модельного коронавірусу та доведено структурну подібність його основної протеази до ферментів патогенних коронавірусів людини. Описано процес адаптації вірусу до стабільного культивування у клітинних системах. У четвертому розділі наведено результати експериментального дослідження амінокарбонових сполук. Проведено оцінку їх цитотоксичності та противірусної активності у клітинних системах, а також досліджено взаємодію сполук із вірусними білковими мішенями методами молекулярного докінгу. За сукупністю отриманих показників визначено найбільш перспективні кандидати для подальшого вивчення. У п’ятому розділі експериментальні результати інтегровано в модель клінічної ефективності із застосуванням математичного моделювання. На основі отриманих даних оцінено можливий вплив досліджуваних сполук на динаміку вірусного навантаження та швидкість елімінації вірусу з організму людини. Також змодельовано потенційні зміни клінічного перебігу інфекції та якості життя пацієнтів. У шостому розділі розроблено алгоритм прийняття рішень для відбору перспективних кандидатів на подальші доклінічні дослідження. Алгоритм поєднує результати експериментальних досліджень, експертні оцінки та методи машинного навчання для об’єктивного зіставлення переваг і ризиків досліджуваних сполук. Запропонований підхід дозволяє системно визначати найбільш перспективні сполуки для подальшої розробки противірусних препаратів. Усі основні результати, представлені в дисертаційній роботі, отримані здобувачем особисто. Автором самостійно проведено аналіз наукових джерел, сформульовано мету та завдання дослідження, сплановано експериментальну частину роботи та розроблено алгоритм скринінгу. Здобувачем виконано in silico аналіз, організовано та проведено експериментальні дослідження, здійснено обробку, інтерпретацію й узагальнення отриманих результатів. | |
| dc.description.abstractother | Smetiukh M.P. Biotechnological algorithm for screening substances with activity against coronaviruses. – Qualifying scientific work submitted as a manuscript. PhD thesis for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in thefield of knowledge 16 Chemical and Bioengineering in the specialty 162 Biotechnology and Bioengineering. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. The work is devoted to the development of a biotechnological algorithm for the rapid identification and rational selection of promising anti-coronavirus compounds under conditions of the continuous evolution of SARS-CoV-2. The relevance of the study is обусловed by the emergence of new viral variants with increased transmissibility and the ability to partially evade the immune response, as well as by the risk of developing resistance to existing antiviral drugs. In addition, screening a large number of candidate compounds at the preclinical stage requires substantial time and resources. In this regard, an integrated screening algorithm is proposed in this study, combining in silico analysis, evaluation of ADME parameters, and experimental in vitro investigations of cytotoxicity and antiviral activity using cell-based technologies. Such an approach enables the systematic identification of the most promising compounds and allows research resources to be directed more efficiently toward their further preclinical development. The proposed algorithm involves the stepwise integration of computational modeling results, pharmacokinetic predictions, and experimental biological studies, thereby increasing the robustness and reliability of candidate molecule selection. Implementation of this approach makes it possible to reduce the number of compounds requiring further experimental testing and to optimize the process of discovering new antiviral agents. The obtained results provide a methodological basis for improving the efficiency of preclinical studies and facilitating the transition to clinical investigations of potential anti-coronavirus drugs. The aim of the work is to develop a biotechnological algorithm for screening substances with activity against coronaviruses. The result of the work is a developed, theoretically substantiated, and experimentally validated biotechnological algorithm for screening compounds with potential activity against coronaviruses. A safe biotechnological system for evaluating antiviral activity has been created and validated, molecular modeling of candidate compounds has been performed to determine their affinity for key viral targets and to predict their ADME profiles, in vitro studies of cytotoxicity and antiviral activity have been conducted, and the selectivity indices of the investigated substances have been determined. Based on the obtained data, an approach to the prioritization of candidates has been formulated and a biotechnological screening algorithm for potential anticoronavirus agents has been developed. For the first time, an integrated stepwise biotechnological algorithm for the selection of compounds with potential activity against coronaviruses has been developed and scientifically substantiated. It combines the results of molecular docking, evaluation of ADME parameters, experimental studies of cytotoxicity and antiviral activity in vitro, as well as elements of mathematical modeling of clinical efficacy into a unified decision-making system. The proposed algorithm ensures early elimination of low-potential candidates and optimization of the transition to subsequent stages of preclinical development. The approach to prioritizing the studied compounds has been improved through the implementation of a comprehensive criteria-based assessment integrating indicators of binding affinity to viral targets, cytotoxicity, and antiviral activity. This approach increases the validity of selection compared to the analysis of individual parameters and reduces the likelihood of misinterpretation of results. Experimental confirmation of the consistency between in silico modeling results and in vitro antiviral activity indicators has been obtained, demonstrating the practical applicability of the proposed strategy for accelerated compound screening and the possibility of its adaptation to new coronavirus variants and changes in molecular targets. The practical significance of the work lies in the development and implementation of a biotechnological algorithm for the screening and justified prioritization of potential antiviral compounds at the preclinical stage of research. The proposed approach combines in silico analysis, determination of cytotoxicity and antiviral activity, as well as a decision-making system regarding the feasibility of their further preclinical development. Its application makes it possible to reduce the number of additional experiments, increase the selectivity of compound selection, optimize the use of laboratory and financial resources, and adapt the screening procedure to new viral variants and molecular targets. The results of the work have been implemented: 1. Approaches to mathematical modeling of the reduction of viral infectious titer, prediction of changes in patients’ quality of life, and modeling of the dynamics of resolution of clinical symptoms have been implemented at the State Institution “F. G. Yanovskyi National Scientific Center of Phthisiology, Pulmonology and Allergology of the National Academy of Medical Sciences”. 2. The created biotechnological “cell–virus–compound” system and approaches to adaptation of the virus to culture conditions have been implemented in laboratory practice at the State Institution “Kyiv Regional Center for Disease Control and Prevention of the Ministry of Health of Ukraine.” 3. Materials and methodological approaches developed within the dissertation research have been introduced into the educational process at the Shupyk National University of Health Care of Ukraine. 4. The biotechnological screening algorithm for potential antiviral agents has been implemented in the scientific activities of LLC “BIOPRO STEM TECHNOLOGY.” The first chapter examines the biological characteristics of coronaviruses, their evolution, and their role in the emergence of epidemic and pandemic outbreaks. The molecular mechanisms of viral replication are analyzed and key viral targets that can be used for the development of antiviral drugs, in particular the main protease, are identified. Modern approaches to the search and screening of compounds with antiviral activity are also summarized. In the second chapter, the characteristics of the materials and methods used in the study are presented. The approaches to conducting in silico analysis, experimental studies in cell cultures, as well as methods for determining the cytotoxicity and antiviral activity of the investigated compounds are described. The third chapter is devoted to the development of a safe biotechnological system for studying potential anti-coronavirus compounds. A bioinformatic justification for the selection of a model coronavirus was carried out and the structural similarity of its main protease to the enzymes of pathogenic human coronaviruses was demonstrated. The process of virus adaptation for stable cultivation in cell systems is described. The fourth chapter presents the results of the experimental study of aminocarboxylic compounds. Their cytotoxicity and antiviral activity in cellular systems were evaluated, and the interaction of the compounds with viral protein targets was investigated using molecular docking methods. Based on the combined indicators obtained, the most promising candidates for further investigation were identified. The fifth chapter integrates the experimental results into a model of clinical efficacy using mathematical modeling. Based on the obtained data, the possible impact of the studied compounds on the dynamics of viral load and the rate of virus elimination from the human body was evaluated. Potential changes in the clinical course of infection and in patients’ quality of life were also modeled. The sixth chapter develops a decision-making algorithm for selecting promising candidates for further preclinical studies. The algorithm combines the results of experimental studies, expert assessments, and machine learning methods for the objective comparison of the advantages and risks of the studied compounds. The proposed approach allows for the systematic identification of the most promising compounds for further antiviral drug development. All the main results presented in the dissertation were obtained personally by the applicant. The author independently conducted the analysis of scientific sources, formulated the aim and objectives of the study, planned the experimental part of the work, and developed the screening algorithm. The applicant performed the in silico analysis, organized and conducted the experimental studies, and carried out the processing, interpretation, and generalization of the obtained results. | |
| dc.format.extent | 214 с. | |
| dc.identifier.citation | Сметюх, М. П. Біотехнологічний алгоритм скринінгу речовин з активністю проти коронавірусів : дис. ... д-ра філософії / Сметюх, Михайло Петрович. - Київ, 2026. - 214 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81363 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | вірусна інфекція | |
| dc.subject | патогени | |
| dc.subject | SARS-CoV-2 | |
| dc.subject | COVID-19 | |
| dc.subject | антивірусна дія | |
| dc.subject | біологічно активні сполуки | |
| dc.subject | in silico | |
| dc.subject | молекулярний докінг | |
| dc.subject | цитотоксичність | |
| dc.subject | біологічна активність | |
| dc.subject | доклінічні дослідження | |
| dc.subject | клінічна оцінка | |
| dc.subject | ефективність | |
| dc.subject | viral infection | |
| dc.subject | pathogens | |
| dc.subject | antiviral activity | |
| dc.subject | biologically active compounds | |
| dc.subject | molecular docking | |
| dc.subject | in vitro | |
| dc.subject | cytotoxicity | |
| dc.subject | biological activity | |
| dc.subject | preclinical studies | |
| dc.subject | clinical evaluation | |
| dc.subject | efficacy | |
| dc.subject.udc | 606:578:615 | |
| dc.title | Біотехнологічний алгоритм скринінгу речовин з активністю проти коронавірусів | |
| dc.title.alternative | Biotechnological algorithm for screening substances with activity against coronaviruses | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: