Choroby prenášané komármi zostávajú vážnym globálnym problémom verejného zdraviaRastúca rezistencia prenášačov chorôb, ako je Culex pipiens pallens, voči tradičným insekticídom tento problém ešte zhoršuje. V tejto štúdii bola navrhnutá, syntetizovaná a vyhodnotená séria nových hybridov tiofén-izochinolinónu ako potenciálne larvicídy. Spomedzi syntetizovaných zlúčenín deriváty 5f, 6 a 7 preukázali významnú larvicídnu aktivitu proti larvám Culex pipiens pallens s hodnotami LC₅₀ 0,3, 0,1 a 1,85 μg/ml. Je pozoruhodné, že všetkých dvanásť derivátov tiofén-izochinolinónu preukázalo významne vyššiu toxicitu ako referenčný organofosfátový insekticíd chlorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), čo potvrdzuje vynikajúcu toxicitu týchto zlúčenín. Je zaujímavé, že syntetický medziprodukt 1a (tiofén-semiester) vykazoval najvyššiu účinnosť (LC₅₀ = 0,004 μg/ml) a hoci ešte nebol úplne optimalizovaný, jeho účinnosť stále prevyšovala účinnosť všetkých finálnych derivátov. Mechanistické biologické štúdie odhalili silné neurotoxicity, čo naznačuje zhoršenú cholinergnú funkciu. Molekulárne dokovacie a molekulárno-dynamické simulácie toto pozorovanie potvrdili a odhalili silné špecifické interakcie s acetylcholínesterázou (AChE) a nikotínovým acetylcholínovým receptorom (nAChR), čo naznačuje možný mechanizmus dvojitého účinku. Výpočty teórie funkcionálu hustoty (DFT) ďalej potvrdili priaznivé elektronické vlastnosti a reaktivitu účinných látok. Štrukturálna diverzita a konzistentne vysoká účinnosť tejto série zlúčenín môžu znížiť riziko krížovej rezistencie a uľahčiť stratégie riadenia rezistencie prostredníctvom rotácie alebo kombinácie zlúčenín. Celkovo tieto výsledky naznačujú, že tiofén-izochinolinónové hybridy sú sľubnou možnosťou pre vývoj larvicídov novej generácie zameraných na neurofyziologické dráhy hmyzích vektorov.
Komáre patria medzi najúčinnejších prenášačov infekčných chorôb, šíria širokú škálu nebezpečných patogénov a predstavujú významnú hrozbu pre globálne verejné zdravie. Druhy ako Culex pipiens, Aedes aegypti a Anopheles gambiae sú známe najmä prenosom vírusov, baktérií a parazitov, pričom každoročne spôsobujú milióny infekcií a početné úmrtia. Napríklad Culex pipiens je hlavným prenášačom arbovírusov, ako je vírus západonílskej horúčky a vírus encefalitídy St. Louis, ako aj parazitárnych chorôb, ako je vtáčia malária. Nedávny výskum tiež ukázal, že Culex pipiens zohráva významnú úlohu pri prenášaní škodlivých baktérií, ako sú Bacillus cereus a Staphylococcus warwickii, ktoré kontaminujú potraviny a zhoršujú problémy verejného zdravia. Vysoká prispôsobivosť, prežitie a odolnosť komárov voči metódam kontroly sťažujú ich kontrolu a predstavujú pretrvávajúcu hrozbu.
Chemické insekticídy sú kľúčovým nástrojom v kontrole komárov, najmä počas prepuknutia chorôb prenášaných komármi. Rôzne triedy insekticídov vrátane pyretroidov, organofosfátov a karbamátov sa široko používajú na zníženie populácií komárov a prenosu chorôb. Rozšírené a dlhodobé používanie týchto chemikálií však viedlo k vážnym problémom v oblasti životného prostredia a verejného zdravia vrátane narušenia ekosystémov, škodlivých účinkov na necieľové druhy a rýchleho rozvoja rezistencie voči insekticídom v populáciách komárov.11, 12, 13, 14Táto rezistencia výrazne znižuje účinnosť mnohých tradičných insekticídov, čo zdôrazňuje naliehavú potrebu inovatívnych chemických riešení s novými mechanizmami účinku na účinné boj proti týmto vyvíjajúcim sa hrozbám.11, 12, 13, 14Na riešenie týchto vážnych výziev sa výskumníci obracajú na alternatívne stratégie, ako je biokontrola, genetické inžinierstvo a integrovaná kontrola vektorov (IVM). Tieto prístupy sú sľubné pre udržateľnú a dlhodobú kontrolu komárov. Počas epidémií a núdzových situácií však chemické metódy zostávajú kľúčové pre rýchlu reakciu.
Izochinolínové alkaloidy sú dôležité dusíkaté heterocyklické zlúčeniny, ktoré sú široko rozšírené v rastlinnej ríši vrátane čeľadí ako Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae a Menispermaceae.30 Predchádzajúce štúdie potvrdili, že izochinolínové alkaloidy majú rôznorodé biologické aktivity a štrukturálne vlastnosti vrátane insekticídnych, antidiabetických, protinádorových, antifungálnych, protizápalových, antibakteriálnych, antiparazitárnych, antioxidačných, antivírusových a neuroprotektívnych účinkov.
V tejto štúdii boli hodnoty χ² pre všetky zlúčeniny pod kritickým prahom a hodnoty p boli nad 0,05. Tieto výsledky potvrdzujú spoľahlivosť odhadov LC₅₀ a ukazujú, že pravdepodobnostná regresia dokáže účinne opísať pozorovaný vzťah medzi dávkou a odozvou. Preto sú hodnoty LC₅₀ a indexy toxicity (TI) vypočítané na základe najaktívnejšej zlúčeniny (1a) vysoko spoľahlivé a vhodné na porovnanie toxikologických účinkov.
Na vyhodnotenie interakcií 12 novo syntetizovaných derivátov tiofén-izochinolinónu a ich prekurzora 1a s dvoma kľúčovými neuronálnymi cieľmi komárov – acetylcholínesterázou (AChE) a nikotínovým acetylcholínovým receptorom (nAChR) – sme vykonali molekulárne dokovacie modelovanie. Tieto ciele boli vybrané na základe neurotoxických symptómov pozorovaných v testoch larválnej smrti, čo naznačuje zhoršenú neuronálnu signalizáciu. Okrem toho štrukturálna podobnosť týchto zlúčenín s organofosfátmi a neonikotinoidmi ďalej podporuje preferovaný výber týchto cieľov, pretože organofosfáty a neonikotinoidy uplatňujú svoje toxické účinky inhibíciou AChE a aktiváciou nAChR.
Okrem toho, niekoľko zlúčenín (vrátane 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f a 7) interaguje so SER280. Zvyšky SER280 sa podieľajú na formovaní konformácií kryštálovej štruktúry a sú konzervované v redopovanej konformácii BT7. Táto rozmanitosť interakčných režimov zdôrazňuje adaptabilitu týchto zlúčenín v aktívnom mieste, pričom SER280 a GLU359 potenciálne slúžia ako adaptívne kotviace miesta za podmienok dokovania. Časté interakcie pozorované medzi syntetickými derivátmi a kľúčovými zvyškami, ako sú GLU359 a SER280, ktoré sú zložkami známej katalytickej triády SER-HIS-GLU v ľudskej acetylcholínesteráze (AChE), ďalej podporujú hypotézu, že tieto zlúčeniny môžu mať silné inhibičné účinky na AChE väzbou na katalyticky dôležité miesta.29, 61, 64
Je pozoruhodné, že zlúčenina 6 a jej prekurzor 1a preukázali v biotestu najúčinnejšiu aktivitu proti larvám, pričom vykazovali najnižšie hodnoty LC₅₀ spomedzi zlúčenín v sérii. Na molekulárnej úrovni zlúčenina 6 vykazuje kritickú interakciu s chlorpyrifosom v mieste GLU359, zatiaľ čo zlúčenina 1a sa prekrýva s opätovne dopovaným BT7 prostredníctvom vodíkovej väzby so SER280. GLU359 aj SER280 sú prítomné v pôvodnej kryštalografickej väzbovej konformácii BT7 a sú zložkami konzervovaného katalytického tripletu acetylcholínesterázy (SER–HIS–GLU), čo zdôrazňuje funkčný význam týchto interakcií pri udržiavaní inhibičnej aktivity zlúčenín (Obr. 10).
Pozorovaná podobnosť väzbových miest medzi derivátmi BT7 (vrátane natívneho a rekonštituovaného BT7) a chlorpyrifosom, najmä vo zvyškoch kritických pre katalytickú aktivitu, silne naznačuje spoločný mechanizmus inhibície medzi týmito zlúčeninami. Celkovo tieto výsledky potvrdzujú významný potenciál derivátov tiofén-izochinolinónu ako vysoko účinných inhibítorov acetylcholínesterázy vďaka ich konzervovaným a biologicky relevantným interakciám.
Silná korelácia medzi výsledkami molekulárneho dokovania a výsledkami larválneho biologického testu ďalej potvrdzuje, že acetylcholínesteráza (AChE) a nikotínový acetylcholínový receptor (nAChR) sú primárnymi neurotoxickými cieľmi syntetizovaných derivátov tiofén-izochinolinónu. Hoci výsledky dokovania poskytujú dôležité informácie o afinite receptor-ligand, treba si uvedomiť, že samotná väzbová energia nie je dostatočná na úplné vysvetlenie insekticídnej účinnosti in vivo. Rozdiely v hodnotách LC₅₀ medzi zlúčeninami s podobnými charakteristikami dokovania môžu byť spôsobené faktormi, ako je metabolická stabilita, absorpcia, biologická dostupnosť a distribúcia u hmyzu.⁶⁰,⁶⁴Racionálny štrukturálny dizajn, vysoká afinita k receptorom simulovaná počítačovou simuláciou a silná biologická aktivita však silne podporujú názor, že AChE a nAChR sú hlavnými mediátormi pozorovanej neurotoxicity.
Záverom možno konštatovať, že syntetizované tiofén-izochinolinónové hybridy majú kľúčové štrukturálne a funkčné prvky, ktoré sú do značnej miery kompatibilné so známymi neuroaktívnymi insekticídmi. Ich schopnosť účinne sa viazať na acetylcholínesterázové (AChE) a nikotínové acetylcholínové receptory (nAChR) prostredníctvom komplementárnych interakčných mechanizmov zdôrazňuje ich potenciál ako insekticídov s dvojitým cieľom. Tento dvojitý mechanizmus nielen zvyšuje insekticídnu účinnosť, ale poskytuje aj sľubnú stratégiu na prekonanie existujúcich mechanizmov rezistencie, vďaka čomu sú tieto zlúčeniny sľubnými kandidátmi na vývoj látok na kontrolu komárov novej generácie.
Molekulárno-dynamické (MD) simulácie sa používajú na overenie a rozšírenie výsledkov molekulárneho dokovania, čím poskytujú realistickejšie a časovo závislejšie hodnotenie interakcií ligand-cieľ za fyziologicky realistických podmienok. Hoci molekulárne dokovanie môže poskytnúť cenné predbežné informácie o potenciálnych väzbových pozíciách a afinitách, ide o statický model a nedokáže zohľadniť flexibilitu receptora, dynamiku rozpúšťadla ani časové fluktuácie v molekulárnych interakciách. MD simulácie sú preto dôležitou doplnkovou metódou na hodnotenie stability komplexu, robustnosti interakcií a konformačných zmien ligandov a proteínov v priebehu času.60, 62, 71
Na základe ich vynikajúcich väzbových vlastností k acetylcholínesteráze (AChE) v porovnaní s nikotínovým acetylcholínovým receptorom (nAChR) sme pre molekulárno-dynamické (MD) simulácie vybrali materskú molekulu 1a (s najnižšou hodnotou LC₅₀) a najaktívnejšiu tiofén-izochinolínovú zlúčeninu 6. Cieľom bolo vyhodnotiť, či ich väzbová konformácia v aktívnom mieste AChE zostala stabilná počas 100 ns simulácie, a porovnať ich väzbové správanie so správaním chlorpyrifosu a rebound kokryštalizovaného inhibítora AChE BT7.
Simulácie molekulárnej dynamiky zahŕňali strednú kvadratickú odchýlku (RMSD) na posúdenie celkovej stability komplexu; strednú kvadratickú odchýlku fluktuácií (RMSF) na štúdium flexibility zvyškov; a analýzu interakcií ligand-akceptor na určenie stability vodíkových väzieb, hydrofóbnych kontaktov a iónových interakcií (doplnkové údaje). Hoci hodnoty RMSD a RMSF pre všetky ligandy zostali v stabilnom rozsahu, čo naznačuje, že nedošlo k žiadnym významným konformačným zmenám v komplexe AChE-ligand (obrázok 12), tieto parametre samy o sebe nestačia na úplné vysvetlenie rozdielov vo väzbovej hmotnosti medzi zlúčeninami.
Čas uverejnenia: 15. decembra 2025