Bolezni, ki jih prenašajo komarji, ostajajo resen svetovni javnozdravstveni problemNaraščajoča odpornost prenašalcev bolezni, kot je Culex pipiens pallens, na tradicionalne insekticide to težavo še poslabšuje. V tej študiji je bila zasnovana, sintetizirana in ocenjena vrsta novih hibridov tiofen-izokinolinona kot potencialni larvicidi. Med sintetiziranimi spojinami so derivati 5f, 6 in 7 pokazali pomembno larvicidno aktivnost proti ličinkam Culex pipiens pallens z vrednostmi LC₅₀ 0,3, 0,1 oziroma 1,85 μg/ml. Omeniti velja, da je vseh dvanajst derivatov tiofen-izokinolinona pokazalo bistveno višjo toksičnost kot referenčni organofosfatni insekticid klorpirifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), kar potrjuje superiorno toksičnost teh spojin. Zanimivo je, da je sintetični intermediat 1a (tiofenski semester) pokazal najvišjo učinkovitost (LC₅₀ = 0,004 μg/ml) in čeprav še ni popolnoma optimiziran, je njegova učinkovitost še vedno presegla učinkovitost vseh končnih derivatov. Mehanistične biološke študije so razkrile močne simptome nevrotoksičnosti, kar kaže na oslabljeno holinergično delovanje. Simulacije molekularnega sidrišča in molekularne dinamike so potrdile to opažanje in razkrile močne specifične interakcije z acetilholinesterazo (AChE) in nikotinskim acetilholinskim receptorjem (nAChR), kar kaže na možen mehanizem dvojnega delovanja. Izračuni teorije funkcionalne gostote (DFT) so dodatno potrdili ugodne elektronske lastnosti in reaktivnost aktivnih spojin. Strukturna raznolikost in dosledno visoka učinkovitost te serije spojin lahko zmanjšata tveganje za navzkrižno odpornost in olajšata strategije obvladovanja odpornosti z rotacijo ali kombinacijo spojin. Na splošno ti rezultati kažejo, da so hibridi tiofena in izokinolinona obetavna možnost za razvoj larvicidov naslednje generacije, ki ciljajo na nevrofiziološke poti žuželčnih vektorjev.
Komarji so med najučinkovitejšimi prenašalci nalezljivih bolezni, saj širijo širok spekter nevarnih patogenov in predstavljajo veliko grožnjo za svetovno javno zdravje. Vrste, kot so Culex pipiens, Aedes aegypti in Anopheles gambiae, so še posebej znane po prenašanju virusov, bakterij in parazitov, kar vsako leto povzroči milijone okužb in številne smrti. Culex pipiens je na primer glavni prenašalec arbovirusov, kot sta virus Zahodnega Nila in virus encefalitisa St. Louis, ter parazitskih bolezni, kot je ptičja malarija. Nedavne raziskave so tudi pokazale, da ima Culex pipiens pomembno vlogo pri prenašanju škodljivih bakterij, kot sta Bacillus cereus in Staphylococcus warwickii, ki onesnažujejo hrano in poslabšujejo težave javnega zdravja. Visoka prilagodljivost, preživetje in odpornost komarjev na metode zatiranja jih otežujejo zatiranje in predstavljajo stalno grožnjo.
Kemični insekticidi so ključno orodje pri zatiranju komarjev, zlasti med izbruhi bolezni, ki jih prenašajo komarji. Različni razredi insekticidov, vključno s piretroidi, organofosfati in karbamati, se pogosto uporabljajo za zmanjšanje populacij komarjev in prenosa bolezni. Vendar pa je razširjena in dolgotrajna uporaba teh kemikalij povzročila resne okoljske in javnozdravstvene težave, vključno z motnjami v ekosistemu, škodljivimi učinki na neciljne vrste in hitrim razvojem odpornosti na insekticide v populacijah komarjev.11, 12, 13, 14Ta odpornost znatno zmanjšuje učinkovitost mnogih tradicionalnih insekticidov, kar poudarja nujno potrebo po inovativnih kemičnih rešitvah z novimi mehanizmi delovanja za učinkovito preprečevanje teh razvijajočih se groženj.11, 12, 13, 14Za reševanje teh resnih izzivov se raziskovalci obračajo k alternativnim strategijam, kot so biokontrola, genski inženiring in integrirano zatiranje vektorjev (IVM). Ti pristopi so obetavni za trajnostno in dolgoročno zatiranje komarjev. Vendar pa so med epidemijami in izrednimi razmerami kemične metode še vedno ključne za hiter odziv.
Izokinolinski alkaloidi so pomembne heterociklične spojine, ki vsebujejo dušik in so široko razširjene v rastlinskem kraljestvu, vključno z družinami, kot so Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae in Menispermaceae.30 Prejšnje študije so potrdile, da imajo izokinolinski alkaloidi raznoliko biološko delovanje in strukturne značilnosti, vključno z insekticidnimi, antidiabetičnimi, protitumorskimi, protiglivičnimi, protivnetnimi, antibakterijskimi, antiparazitskimi, antioksidativnimi, protivirusnimi in nevroprotektivnimi učinki.
V tej študiji so bile vrednosti χ² za vse spojine pod kritičnim pragom, vrednosti p pa nad 0,05. Ti rezultati potrjujejo zanesljivost ocen LC₅₀ in kažejo, da lahko verjetnostna regresija učinkovito opiše opaženo razmerje med odmerkom in odzivom. Zato so vrednosti LC₅₀ in indeksi toksičnosti (TI), izračunani na podlagi najaktivnejše spojine (1a), zelo zanesljivi in primerni za primerjavo toksikoloških učinkov.
Za oceno interakcij 12 novo sintetiziranih derivatov tiofen-izokinolinona in njihovega predhodnika 1a z dvema ključnima nevronskima tarčama komarjev – acetilholinesterazo (AChE) in nikotinskim acetilholinskim receptorjem (nAChR) – smo izvedli molekularno modeliranje vezave. Te tarče so bile izbrane na podlagi nevrotoksičnih simptomov, opaženih v testih smrti ličink, kar kaže na oslabljeno nevronsko signalizacijo. Poleg tega strukturna podobnost teh spojin z organofosfati in neonikotinoidi dodatno podpira prednostno izbiro teh tarč, saj organofosfati in neonikotinoidi izvajajo svoje toksične učinke z zaviranjem AChE oziroma aktiviranjem nAChR.
Poleg tega več spojin (vključno z 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f in 7) interagira s SER280. Ostanki SER280 sodelujejo pri oblikovanju konformacij kristalne strukture in so ohranjeni v redopirani konformaciji BT7. Ta raznolikost načinov interakcij poudarja prilagodljivost teh spojin v aktivnem mestu, pri čemer SER280 in GLU359 potencialno služita kot prilagodljiva sidrna mesta v pogojih vezave. Pogoste interakcije, opažene med sintetičnimi derivati in ključnimi ostanki, kot sta GLU359 in SER280, ki so komponente znane katalitične triade SER-HIS-GLU v človeški acetilholinesterazi (AChE), dodatno podpirajo hipotezo, da lahko te spojine izvajajo močne zaviralne učinke na AChE z vezavo na katalitično pomembna mesta.29, 61, 64
Omeniti velja, da sta spojina 6 in njen predhodnik 1a v biološkem testu pokazala najmočnejšo aktivnost proti ličinkam, saj sta med spojinami v seriji pokazala najnižje vrednosti LC₅₀. Na molekularni ravni spojina 6 kaže kritično interakcijo s klorpirifosom na mestu GLU359, medtem ko se spojina 1a prekriva s ponovno dopiranim BT7 preko vodikove vezi s SER280. Tako GLU359 kot SER280 sta prisotna v originalni kristalografski vezavni konformaciji BT7 in sta komponenti ohranjenega katalitskega tripleta acetilholinesteraze (SER–HIS–GLU), kar poudarja funkcionalni pomen teh interakcij pri ohranjanju inhibitorne aktivnosti spojin (slika 10).
Opažena podobnost vezavnih mest med derivati BT7 (vključno z naravnim in rekonstituiranim BT7) in klorpirifosom, zlasti pri ostankih, ki so ključni za katalitično aktivnost, močno kaže na skupen mehanizem inhibicije med tema spojinama. Na splošno ti rezultati potrjujejo pomemben potencial derivatov tiofen-izokinolinona kot zelo močnih zaviralcev acetilholinesteraze zaradi njihovih ohranjenih in biološko pomembnih interakcij.
Močna korelacija med rezultati molekularnega sidrišča in rezultati biološkega testa na ličinkah dodatno potrjuje, da sta acetilholinesteraza (AChE) in nikotinski acetilholinski receptor (nAChR) primarni nevrotoksični tarči sintetiziranih derivatov tiofen-izokinolinona. Čeprav rezultati sidrišča zagotavljajo pomembne informacije o afiniteti receptor-ligand, je treba priznati, da sama vezavna energija ni zadostna za popolno razlago insekticidne učinkovitosti in vivo. Razlike v vrednostih LC₅₀ med spojinami s podobnimi značilnostmi sidrišča so lahko posledica dejavnikov, kot so presnovna stabilnost, absorpcija, biološka uporabnost in porazdelitev pri žuželkah.⁶⁰,⁶⁴Vendar pa racionalna strukturna zasnova, visoka afiniteta do receptorjev, simulirana z računalniško simulacijo, in močna biološka aktivnost močno podpirajo stališče, da sta AChE in nAChR glavna mediatorja opažene nevrotoksičnosti.
Skratka, sintetizirani tiofen-izokinolinonski hibridi imajo ključne strukturne in funkcionalne elemente, ki so v veliki meri združljivi z znanimi nevroaktivnimi insekticidi. Njihova sposobnost učinkovite vezave na acetilholinesterazo (AChE) in nikotinske acetilholinske receptorje (nAChR) prek komplementarnih interakcijskih mehanizmov poudarja njihov potencial kot insekticidov z dvojnim delovanjem. Ta dvojni mehanizem ne le poveča insekticidno učinkovitost, temveč tudi zagotavlja obetavno strategijo za premagovanje obstoječih mehanizmov odpornosti, zaradi česar so te spojine obetavni kandidati za razvoj sredstev za zatiranje komarjev naslednje generacije.
Molekularno dinamične (MD) simulacije se uporabljajo za potrditev in razširitev rezultatov molekularnega sidranja, kar zagotavlja bolj realistično in časovno odvisno oceno interakcij med ligandom in tarčo v fiziološko realističnih pogojih. Čeprav lahko molekularno sidranje zagotovi dragocene predhodne informacije o potencialnih vezavnih položajih in afinitetah, je statični model in ne more upoštevati fleksibilnosti receptorjev, dinamike topila ali časovnih nihanj v molekularnih interakcijah. Zato so MD simulacije pomembna dopolnilna metoda za ocenjevanje stabilnosti kompleksov, robustnosti interakcij in konformacijskih sprememb ligandov in proteinov skozi čas.60, 62, 71
Glede na njihove boljše vezavne lastnosti na acetilholinesterazo (AChE) v primerjavi z nikotinskim acetilholinskim receptorjem (nAChR) smo za simulacije molekularne dinamike (MD) izbrali matično molekulo 1a (z najnižjo vrednostjo LC₅₀) in najaktivnejšo tiofen-izokinolinsko spojino 6. Cilj je bil oceniti, ali je njuna vezavna konformacija v aktivnem mestu AChE ostala stabilna v 100 ns simulacije, in primerjati njuno vezavno obnašanje z vezavnim obnašanjem klorpirifosa in kokristaliziranega zaviralca AChE BT7.
Simulacije molekularne dinamike so vključevale korensko povprečje kvadratnega odklona (RMSD) za oceno celotne stabilnosti kompleksa; korensko povprečje kvadratnega odklona fluktuacij (RMSF) za preučevanje fleksibilnosti ostankov; in analizo interakcij ligand-akceptor za določitev stabilnosti vodikovih vezi, hidrofobnih stikov in ionskih interakcij (dodatni podatki). Čeprav so vrednosti RMSD in RMSF za vse ligande ostale znotraj stabilnega območja, kar kaže na to, da ni prišlo do pomembnih konformacijskih sprememb v kompleksu AChE-ligand (slika 12), ti parametri sami po sebi ne zadostujejo za popolno razlago razlik v vezavni masi med spojinami.
Čas objave: 15. dec. 2025