A szúnyogok által terjesztett betegségek továbbra is komoly globális közegészségügyi problémát jelentenekA betegségvektorok, például a Culex pipiens pallens, hagyományos rovarirtó szerekkel szembeni növekvő rezisztenciája tovább súlyosbítja ezt a problémát. Ebben a tanulmányban egy sor új tiofén-izokinolinon hibridet terveztek, szintetizáltak és értékeltek potenciális lárvaölő szerként. A szintetizált vegyületek közül az 5f, 6 és 7 származékok jelentős lárvaölő aktivitást mutattak a Culex pipiens pallens lárváival szemben, LC₅₀ értékekkel 0,3, 0,1 és 1,85 μg/ml. Figyelemre méltó, hogy mind a tizenkét tiofén-izokinolinon származék szignifikánsan nagyobb toxicitást mutatott, mint a referenciaként használt szerves foszfát rovarirtó szer, a klórpirifosz (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), ami megerősíti ezen vegyületek kiemelkedő toxicitását. Érdekes módon az 1a szintetikus köztitermék (egy tiofén-félészter) mutatta a legnagyobb hatékonyságot (LC₅₀ = 0,004 μg/ml), és bár még nem teljesen optimalizált, hatékonysága még mindig meghaladta az összes végső származék hatékonyságát. A mechanisztikus biológiai vizsgálatok robusztus neurotoxicitási tüneteket tártak fel, ami a kolinerg funkció károsodására utal. A molekuláris dokkolás és a molekuláris dinamikai szimulációk megerősítették ezt a megfigyelést, erős specifikus kölcsönhatásokat mutatva ki az acetilkolinészterázzal (AChE) és a nikotinsav-acetilkolin receptorral (nAChR), ami egy lehetséges kettős hatásmechanizmusra utal. A sűrűségfunkcionál-elméleti (DFT) számítások tovább megerősítették a hatóanyagok kedvező elektronikus tulajdonságait és reakcióképességét. Ezen vegyületsorozat szerkezeti sokfélesége és következetesen magas hatékonysága csökkentheti a keresztrezisztencia kockázatát, és elősegítheti a rezisztencia-kezelési stratégiákat a vegyületek rotációján vagy kombinációján keresztül. Összességében ezek az eredmények azt mutatják, hogy a tiofén-izokinolinon hibridek ígéretes lehetőséget jelentenek a rovarvektorok neurofiziológiai útvonalait célzó következő generációs larvicidek fejlesztésére.
A szúnyogok a fertőző betegségek leghatékonyabb vektorai közé tartoznak, számos veszélyes kórokozót terjesztenek, és jelentős veszélyt jelentenek a globális közegészségügyre. Az olyan fajok, mint a Culex pipiens, az Aedes aegypti és az Anopheles gambiae, különösen ismertek vírusok, baktériumok és paraziták terjesztésére, évente több millió fertőzést és számos halálesetet okozva. Például a Culex pipiens az arbovírusok, például a West Nile vírus és a St. Louis encephalitis vírus, valamint a parazitabetegségek, például a madármalária fő vektora. A legújabb kutatások azt is kimutatták, hogy a Culex pipiens jelentős szerepet játszik a káros baktériumok, például a Bacillus cereus és a Staphylococcus warwickii terjesztésében és átvitelében, amelyek szennyezik az élelmiszereket és súlyosbítják a közegészségügyi problémákat. A szúnyogok magas alkalmazkodóképessége, túlélőképessége és az ellenőrzési módszerekkel szembeni ellenállása megnehezíti az irtásukat, és állandó fenyegetést jelentenek.
A kémiai rovarirtók kulcsfontosságú eszközök a szúnyogirtásban, különösen a szúnyogok által terjesztett betegségek kitörése során. A rovarirtók különböző osztályait, beleértve a piretroidokat, a szerves foszfátokat és a karbamátokat, széles körben használják a szúnyogpopulációk és a betegségek átvitelének csökkentésére. Ezen vegyi anyagok széles körű és hosszú távú használata azonban súlyos környezeti és közegészségügyi aggályokhoz vezetett, beleértve az ökoszisztéma zavarait, a nem célzott fajokra gyakorolt káros hatásokat és a szúnyogpopulációk rovarirtó szerekkel szembeni rezisztenciájának gyors kialakulását.11, 12, 13, 14Ez a rezisztencia jelentősen csökkenti számos hagyományos rovarirtó szer hatékonyságát, ami rávilágít az innovatív kémiai megoldások iránti sürgős igényre, amelyek új hatásmechanizmusokkal rendelkeznek e változó fenyegetések hatékony leküzdésére.11, 12, 13, 14E komoly kihívások kezelése érdekében a kutatók alternatív stratégiákhoz fordulnak, mint például a biokontroll, a géntechnológia és az integrált vektorkezelés (IVM). Ezek a megközelítések ígéretesek a fenntartható, hosszú távú szúnyogirtás szempontjából. Járványok és vészhelyzetek idején azonban a kémiai módszerek továbbra is kulcsfontosságúak a gyors reagálás érdekében.
Az izokinolin alkaloidok fontos nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületek, amelyek széles körben elterjedtek a növényvilágban, beleértve az olyan családokat, mint az Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae és Menispermaceae.30 Korábbi tanulmányok megerősítették, hogy az izokinolin alkaloidok változatos biológiai aktivitással és szerkezeti jellemzőkkel rendelkeznek, beleértve a rovarölő, antidiabetikus, daganatellenes, gombaellenes, gyulladáscsökkentő, antibakteriális, parazitaellenes, antioxidáns, vírusellenes és neuroprotektív hatásokat.
Ebben a vizsgálatban az összes vegyület χ² értékei a kritikus küszöbérték alatt voltak, a p értékek pedig 0,05 felett voltak. Ezek az eredmények megerősítik az LC₅₀ becslések megbízhatóságát, és azt mutatják, hogy a valószínűségi regresszió hatékonyan leírja a megfigyelt dózis-válasz összefüggést. Ezért az LC₅₀ értékek és a legaktívabb vegyület (1a) alapján számított toxicitási indexek (TI) nagy megbízhatósággal rendelkeznek, és alkalmasak a toxikológiai hatások összehasonlítására.
Molekuláris dokkolási modellezést végeztünk 12 újonnan szintetizált tiofén-izokinolinon származék és azok 1a prekurzorának kölcsönhatásainak értékeléséhez két kulcsfontosságú szúnyog neuronális célponttal – az acetilkolinészterázzal (AChE) és a nikotin acetilkolin receptorral (nAChR). Ezeket a célpontokat a lárvaelhalási vizsgálatokban megfigyelt neurotoxikus tünetek alapján választottuk ki, amelyek a neuronális jelátvitel károsodására utalnak. Továbbá, ezen vegyületek szerkezeti hasonlósága a szerves foszfátokkal és a neonikotinoidokkal tovább alátámasztja ezen célpontok előnyös választását, mivel a szerves foszfátok és a neonikotinoidok toxikus hatásukat az AChE gátlásával, illetve az nAChR aktiválásával fejtik ki.
Továbbá számos vegyület (köztük az 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f és 7) kölcsönhatásba lép a SER280-nal. A SER280 aminosavmaradékok részt vesznek a kristályszerkezeti konformációk alakításában, és konzerválódtak a BT7 redoptált konformációjában. Ez a kölcsönhatási módok sokfélesége kiemeli ezen vegyületek alkalmazkodóképességét az aktív helyen, ahol a SER280 és a GLU359 potenciálisan adaptív horgonyhelyekként szolgálhat dokkolási körülmények között. A szintetikus származékok és a kulcsfontosságú aminosavmaradékok, például a GLU359 és a SER280 között megfigyelt gyakori kölcsönhatások, amelyek az ismert SER-HIS-GLU katalitikus triád komponensei az emberi acetilkolinészterázban (AChE), tovább alátámasztják azt a hipotézist, hogy ezek a vegyületek erős gátló hatást gyakorolhatnak az AChE-re a katalitikusan fontos helyekhez való kötődés révén.29, 61, 64
Figyelemre méltó, hogy a 6-os vegyület és prekurzora, az 1a, mutatta a legerősebb aktivitást a lárvákkal szemben a bioassay során, a sorozat vegyületei közül a legalacsonyabb LC₅₀ értékeket mutatva. Molekuláris szinten a 6-os vegyület kritikus kölcsönhatást mutat a klórpirifoszszal a GLU359 helyen, míg az 1a vegyület átfedést mutat az újraadalékolt BT7-tel egy hidrogénkötésen keresztül a SER280-hoz. Mind a GLU359, mind a SER280 jelen van a BT7 eredeti kristálytani kötési konformációjában, és az acetilkolinészteráz konzervált katalitikus triplettjének (SER–HIS–GLU) komponensei, ami kiemeli ezen kölcsönhatások funkcionális jelentőségét a vegyületek gátló aktivitásának fenntartásában (10. ábra).
A BT7-származékok (beleértve a natív és a rekonstruált BT7-et is) és a klórpirifosz kötőhelyei között megfigyelt hasonlóság, különösen a katalitikus aktivitás szempontjából kritikus aminosavakon, erősen arra utal, hogy e vegyületek között közös gátlási mechanizmus van. Összességében ezek az eredmények megerősítik a tiofén-izokinolinon származékok jelentős potenciálját, mint rendkívül hatékony acetilkolinészteráz-gátlók, konzervált és biológiailag releváns kölcsönhatásaik miatt.
A molekuláris dokkolási eredmények és a lárva bioassay eredményei közötti szoros korreláció tovább erősíti, hogy az acetilkolinészteráz (AChE) és a nikotin-acetilkolin receptor (nAChR) a szintetizált tiofén-izokinolinon származékok elsődleges neurotoxikus célpontjai. Bár a dokkolási eredmények fontos információkat szolgáltatnak a receptor-ligand affinitásról, fel kell ismerni, hogy a kötési energia önmagában nem elegendő az inszekticid hatékonyság in vivo teljes magyarázatához. A hasonló dokkolási tulajdonságokkal rendelkező vegyületek LC₅₀-értékeinek különbségei olyan tényezőknek tudhatók be, mint a metabolikus stabilitás, a felszívódás, a biohasznosulás és az eloszlás a rovarokban.⁶⁰,⁶⁴A racionális szerkezeti kialakítás, a számítógépes szimulációval modellezett magas receptoraffinitás és a hatékony biológiai aktivitás azonban erősen alátámasztja azt a nézetet, hogy az AChE és az nAChR-ek a megfigyelt neurotoxicitás fő mediátorai.
Összefoglalva, a szintetizált tiofén-izokinolinon hibridek kulcsfontosságú szerkezeti és funkcionális elemekkel rendelkeznek, amelyek nagyrészt kompatibilisek az ismert neuroaktív rovarirtó szerekkel. Az a képességük, hogy hatékonyan kötődnek az acetilkolinészterázhoz (AChE) és a nikotin-acetilkolin receptorokhoz (nAChR) kiegészítő kölcsönhatási mechanizmusokon keresztül, kiemeli a kettős célpontú rovarirtó szerekként való potenciáljukat. Ez a kettős mechanizmus nemcsak fokozza a rovarölő hatékonyságot, hanem ígéretes stratégiát kínál a meglévő rezisztencia-mechanizmusok leküzdésére is, így ezek a vegyületek ígéretes jelöltek lehetnek a következő generációs szúnyogirtó szerek fejlesztéséhez.
A molekuláris dinamikai (MD) szimulációkat a molekuláris dokkolási eredmények validálására és kiterjesztésére használják, realisztikusabb és időfüggőbb értékelést biztosítva a ligand-célpont kölcsönhatásokról fiziológiailag realisztikus körülmények között. Bár a molekuláris dokkolás értékes előzetes információkat szolgáltathat a potenciális kötődési pozíciókról és affinitásokról, ez egy statikus modell, és nem tudja figyelembe venni a receptor rugalmasságát, az oldószer dinamikáját vagy a molekuláris kölcsönhatások időbeli ingadozásait. Ezért az MD szimulációk fontos kiegészítő módszerek a komplex stabilitásának, a kölcsönhatások robusztusságának, valamint a ligandumok és fehérjék konformációs változásainak időbeli értékelésére.60, 62, 71
Az acetilkolinészterázhoz (AChE) való jobb kötődési tulajdonságaik alapján, összehasonlítva a nikotinsavas acetilkolin receptorral (nAChR), a molekuladinamikai (MD) szimulációkhoz az 1a alapmolekulát (a legalacsonyabb LC₅₀ értékkel) és a legaktívabb 6-os tiofén-izokinolin vegyületet választottuk ki. A cél az volt, hogy kiértékeljük, vajon kötődési konformációjuk az AChE aktív helyén stabil marad-e 100 ns szimuláció alatt, és hogy összehasonlítsuk kötődési viselkedésüket a klórpirifosz és a rebound kokristályosított AChE inhibitor BT7 viselkedésével.
A molekuladinamikai szimulációk magukban foglalták a négyzetes középérték-eltérés (RMSD) mérését a komplex teljes stabilitásának felmérésére; a fluktuációk négyzetes középérték-eltérésének (RMSF) mérését a aminosavak rugalmasságának vizsgálatára; és a ligandum-akceptor kölcsönhatás elemzését a hidrogénkötések, a hidrofób kontaktusok és az ionos kölcsönhatások stabilitásának meghatározására (kiegészítő adatok). Bár az összes ligandum RMSD és RMSF értékei stabil tartományon belül maradtak, ami nem jelez jelentős konformációs változásokat az AChE-ligand komplexben (12. ábra), ezek a paraméterek önmagukban nem elegendőek a vegyületek közötti kötési tömegbeli különbségek teljes magyarázatához.
Közzététel ideje: 2025. dec. 15.