Myggbårne sykdommer er fortsatt et alvorlig globalt folkehelseproblemØkende resistens hos sykdomsvektorer, som Culex pipiens pallens, mot tradisjonelle insektmidler forverrer dette problemet ytterligere. I denne studien ble en serie nye tiofen-isokinolinon-hybrider utviklet, syntetisert og evaluert som potensielle larvicider. Blant de syntetiserte forbindelsene viste derivatene 5f, 6 og 7 betydelig larvicid aktivitet mot Culex pipiens pallens-larver med LC₅₀-verdier på henholdsvis 0,3, 0,1 og 1,85 μg/ml. Det er verdt å merke seg at alle tolv tiofen-isokinolinon-derivatene viste betydelig høyere toksisitet enn referanseorganofosfatinsekticiden klorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), noe som bekrefter den overlegne toksisiteten til disse forbindelsene. Interessant nok viste det syntetiske mellomproduktet 1a (en tiofensemiester) den høyeste potensen (LC₅₀ = 0,004 μg/ml), og selv om det ennå ikke er fullstendig optimalisert, oversteg potensen fortsatt potensen til alle sluttderivater. Mekanistiske biologiske studier avdekket robuste nevrotoksisitetssymptomer, noe som tyder på svekket kolinerg funksjon. Molekylære docking- og molekylærdynamikksimuleringer bekreftet denne observasjonen og avdekket sterke spesifikke interaksjoner med acetylkolinesterase (AChE) og den nikotiniske acetylkolinreseptoren (nAChR), noe som tyder på en mulig dobbeltvirkende mekanisme. Beregninger med tetthetsfunksjonsteori (DFT) bekreftet ytterligere de gunstige elektroniske egenskapene og reaktiviteten til de aktive forbindelsene. Det strukturelle mangfoldet og den gjennomgående høye potensen til denne serien av forbindelser kan redusere risikoen for kryssresistens og legge til rette for resistenshåndteringsstrategier gjennom forbindelsesrotasjon eller kombinasjon. Samlet sett indikerer disse resultatene at tiofen-isokinolinonhybrider er et lovende alternativ for utvikling av neste generasjons larvicider som retter seg mot nevrofysiologiske veier til insektvektorer.
Mygg er blant de mest effektive vektorene for smittsomme sykdommer, og sprer et bredt spekter av farlige patogener og utgjør en betydelig trussel mot den globale folkehelsen. Arter som Culex pipiens, Aedes aegypti og Anopheles gambiae er spesielt kjent for å overføre virus, bakterier og parasitter, noe som forårsaker millioner av infeksjoner og en rekke dødsfall årlig. For eksempel er Culex pipiens en viktig vektor for arbovirus som West Nile-virus og St. Louis encefalittvirus, samt parasittiske sykdommer som fuglemalaria. Nyere forskning har også vist at Culex pipiens spiller en betydelig rolle i vektoren og overføringen av skadelige bakterier som Bacillus cereus og Staphylococcus warwickii, som forurenser mat og forverrer folkehelseproblemer. Myggens høye tilpasningsevne, overlevelsesevne og motstand mot kontrollmetoder gjør dem vanskelige å kontrollere og utgjør en vedvarende trussel.
Kjemiske insektmidler er et viktig verktøy i myggbekjempelse, spesielt under utbrudd av myggbårne sykdommer. Ulike klasser av insektmidler, inkludert pyretroider, organofosfater og karbamater, er mye brukt for å redusere myggbestander og sykdomsoverføring. Imidlertid har den utbredte og langvarige bruken av disse kjemikaliene ført til alvorlige miljø- og folkehelseproblemer, inkludert forstyrrelser i økosystemet, skadelige effekter på ikke-målarter og den raske utviklingen av insektmiddelresistens i myggbestander.11, 12, 13, 14Denne resistensen reduserer effektiviteten til mange tradisjonelle insektmidler betydelig, noe som understreker det presserende behovet for innovative kjemiske løsninger med nye virkningsmekanismer for effektivt å motvirke disse utviklende truslene.11, 12, 13, 14For å håndtere disse alvorlige utfordringene, vender forskere seg til alternative strategier som biokontroll, genteknologi og integrert vektorhåndtering (IVM). Disse tilnærmingene viser lovende resultater for bærekraftig, langsiktig myggkontroll. Under epidemier og nødsituasjoner er imidlertid kjemiske metoder fortsatt avgjørende for rask respons.
Isokinolinalkaloider er viktige nitrogenholdige heterosykliske forbindelser som er vidt distribuert i planteriket, inkludert familier som Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae og Menispermaceae.30 Tidligere studier har bekreftet at isokinolinalkaloider har ulike biologiske aktiviteter og strukturelle egenskaper, inkludert insektdrepende, antidiabetiske, antitumor-, soppdrepende, antiinflammatoriske, antibakterielle, antiparasittiske, antioksidant-, antivirale og nevrobeskyttende effekter.
I denne studien var χ²-verdiene for alle forbindelser under den kritiske terskelen, og p-verdiene var over 0,05. Disse resultatene bekrefter påliteligheten til LC₅₀-estimater og viser at probabilistisk regresjon effektivt kan beskrive det observerte dose-respons-forholdet. Derfor er LC₅₀-verdier og toksisitetsindekser (TI-er) beregnet basert på den mest aktive forbindelsen (1a) svært pålitelige og egnet for å sammenligne toksikologiske effekter.
For å evaluere interaksjonene mellom 12 nylig syntetiserte tiofen-isokinolinonderivater og deres forløper 1a med to viktige myggnevronale mål – acetylkolinesterase (AChE) og den nikotiniske acetylkolinreseptoren (nAChR) – utførte vi molekylær dockingmodellering. Disse målene ble valgt basert på nevrotoksiske symptomer observert i larvedødsanalyser, noe som indikerer svekket nevronal signalering. Videre støtter den strukturelle likheten mellom disse forbindelsene og organofosfater og neonikotinoider ytterligere det foretrukne valget av disse målene, ettersom organofosfater og neonikotinoider utøver sine toksiske effekter ved å hemme henholdsvis AChE og aktivere nAChR.
Videre interagerer flere forbindelser (inkludert 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f og 7) med SER280. SER280-rester er involvert i å forme krystallstrukturkonformasjoner og er bevart i den redoperte konformasjonen til BT7. Dette mangfoldet av interaksjonsmoduser fremhever tilpasningsevnen til disse forbindelsene i det aktive setet, der SER280 og GLU359 potensielt kan tjene som adaptive ankersteder under dockingforhold. De hyppige interaksjonene som observeres mellom syntetiske derivater og nøkkelrester som GLU359 og SER280, som er komponenter i den kjente SER-HIS-GLU katalytiske triaden i human acetylkolinesterase (AChE), støtter ytterligere hypotesen om at disse forbindelsene kan utøve potente hemmende effekter på AChE ved å binde seg til katalytisk viktige steder.29,61,64
Det er verdt å merke seg at forbindelse 6 og dens forløper 1a viste den mest potente aktiviteten mot larver i bioanalysen, og viste de laveste LC₅₀-verdiene blant forbindelsene i serien. På molekylært nivå viser forbindelse 6 en kritisk interaksjon med klorpyrifos på GLU359-stedet, mens forbindelse 1a overlapper med redopert BT7 via en hydrogenbinding til SER280. Både GLU359 og SER280 er tilstede i den opprinnelige krystallografiske bindingskonformasjonen til BT7 og er komponenter i den konserverte katalytiske tripletten av acetylkolinesterase (SER–HIS–GLU), noe som fremhever den funksjonelle betydningen av disse interaksjonene for å opprettholde den hemmende aktiviteten til forbindelsene (fig. 10).
Den observerte likheten i bindingssteder mellom BT7-derivater (inkludert nativt og rekonstituert BT7) og klorpyrifos, spesielt ved rester som er kritiske for katalytisk aktivitet, tyder sterkt på en felles hemmingsmekanisme mellom disse forbindelsene. Samlet sett bekrefter disse resultatene det betydelige potensialet til tiofen-isokinolinon-derivater som svært potente acetylkolinesterasehemmere på grunn av deres konserverte og biologisk relevante interaksjoner.
En sterk korrelasjon mellom resultatene fra molekylær docking og resultatene fra larvebioanalysen bekrefter ytterligere at acetylkolinesterase (AChE) og den nikotiniske acetylkolinreseptoren (nAChR) er de primære nevrotoksiske målene for de syntetiserte tiofen-isokinolinonderivatene. Selv om dockingresultatene gir viktig informasjon om reseptor-ligandaffinitet, bør det erkjennes at bindingsenergi alene er utilstrekkelig til å fullt ut forklare insektdrepende effekt in vivo. Forskjeller i LC₅₀-verdier mellom forbindelser med lignende dockingegenskaper kan skyldes faktorer som metabolsk stabilitet, absorpsjon, biotilgjengelighet og distribusjon i insekter.⁶⁰,⁶⁴Imidlertid støtter den rasjonelle strukturelle utformingen, den høye reseptoraffiniteten simulert ved datasimulering og den potente biologiske aktiviteten sterkt synspunktet om at AChE og nAChR er de viktigste mediatorene for den observerte nevrotoksisiteten.
Avslutningsvis har de syntetiserte tiofen-isokinolinon-hybridene viktige strukturelle og funksjonelle elementer som i stor grad er kompatible med kjente nevroaktive insektmidler. Deres evne til å binde seg effektivt til acetylkolinesterase (AChE) og nikotiniske acetylkolinreseptorer (nAChR) via komplementære interaksjonsmekanismer fremhever deres potensial som insektmidler med to mål. Denne doble mekanismen forbedrer ikke bare den insektdrepende effekten, men gir også en lovende strategi for å overvinne eksisterende resistensmekanismer, noe som gjør disse forbindelsene til lovende kandidater for utvikling av neste generasjons myggkontrollmidler.
Molekyldynamiske (MD) simuleringer brukes til å validere og utvide molekylære dockingresultater, noe som gir en mer realistisk og tidsavhengig vurdering av ligand-mål-interaksjoner under fysiologisk realistiske forhold. Selv om molekylær docking kan gi verdifull foreløpig informasjon om potensielle bindingsposisjoner og affiniteter, er det en statisk modell og kan ikke ta hensyn til reseptorfleksibilitet, løsningsmiddeldynamikk eller tidsmessige fluktuasjoner i molekylære interaksjoner. Derfor er MD-simuleringer en viktig komplementær metode for å vurdere kompleks stabilitet, interaksjonsrobusthet og konformasjonsendringer i ligander og proteiner over tid.60, 62, 71
Basert på deres overlegne bindingsegenskaper til acetylkolinesterase (AChE) sammenlignet med den nikotiniske acetylkolinreseptoren (nAChR), valgte vi mormolekylet 1a (med den laveste LC₅₀-verdien) og den mest aktive tiofen-isokinolinforbindelsen 6 for molekylærdynamikk (MD)-simuleringer. Målet var å evaluere om deres bindingskonformasjon i det aktive AChE-setet forble stabil over 100 ns simulering, og å sammenligne deres bindingsatferd med klorpyrifos og den rebound-kokrystalliserte AChE-hemmeren BT7.
Molekyldynamiske simuleringer inkluderte rotmiddelkvadratavvik (RMSD) for å vurdere den generelle komplekse stabiliteten; rotmiddelkvadratavvik for fluktuasjoner (RMSF) for å studere residufleksibilitet; og ligand-akseptor-interaksjonsanalyse for å bestemme stabiliteten til hydrogenbindinger, hydrofobe kontakter og ioniske interaksjoner (tilleggsdata). Selv om RMSD- og RMSF-verdiene for alle ligander forble innenfor et stabilt område, noe som indikerer ingen signifikante konformasjonsendringer i AChE-ligandkomplekset (figur 12), er disse parameterne alene utilstrekkelige til å fullt ut forklare forskjellene i bindingsmasse mellom forbindelsene.
Publiseringstid: 15. desember 2025