Bolesti koje prenose komarci i dalje su ozbiljan globalni javnozdravstveni problemRastuća otpornost vektora bolesti, poput Culex pipiens pallens, na tradicionalne insekticide dodatno pogoršava ovaj problem. U ovoj studiji, niz novih tiofen-izokinolinonskih hibrida je dizajniran, sintetiziran i procijenjen kao potencijalni larvicidi. Među sintetiziranim spojevima, derivati 5f, 6 i 7 pokazali su značajnu larvicidnu aktivnost protiv ličinki Culex pipiens pallens s LC₅₀ vrijednostima od 0,3, 0,1 i 1,85 μg/mL. Značajno je da je svih dvanaest derivata tiofen-izokinolina pokazalo značajno veću toksičnost od referentnog organofosfatnog insekticida klorpirifosa (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), što potvrđuje superiorniju toksičnost ovih spojeva. Zanimljivo je da je sintetski međuprodukt 1a (tiofenski poluester) pokazao najveću potentnost (LC₅₀ = 0,004 μg/mL), i iako još nije u potpunosti optimiziran, njegova potentnost je i dalje premašila onu svih konačnih derivata. Mehanističke biološke studije otkrile su snažne simptome neurotoksičnosti, što ukazuje na oštećenu kolinergičku funkciju. Molekularno spajanje i simulacije molekularne dinamike potvrdile su ovo opažanje, otkrivajući snažne specifične interakcije s acetilkolinesterazom (AChE) i nikotinskim acetilkolinskim receptorom (nAChR), što sugerira mogući mehanizam dvostrukog djelovanja. Izračuni teorije funkcionalne gustoće (DFT) dodatno su potvrdili povoljna elektronička svojstva i reaktivnost aktivnih spojeva. Strukturna raznolikost i dosljedno visoka potentnost ove serije spojeva mogu smanjiti rizik od unakrsne rezistencije i olakšati strategije upravljanja rezistencijom rotacijom ili kombinacijom spojeva. Sveukupno, ovi rezultati ukazuju na to da su tiofen-izokinolinonski hibridi obećavajuća opcija za razvoj larvicida sljedeće generacije usmjerenih na neurofiziološke putove insekata vektora.
Komarci su među najučinkovitijim vektorima zaraznih bolesti, šireći širok raspon opasnih patogena i predstavljajući značajnu prijetnju globalnom javnom zdravlju. Vrste poput Culex pipiens, Aedes aegypti i Anopheles gambiae posebno su poznate po prenošenju virusa, bakterija i parazita, uzrokujući milijune infekcija i brojne smrtne slučajeve godišnje. Na primjer, Culex pipiens je glavni vektor arbovirusa poput virusa Zapadnog Nila i virusa encefalitisa St. Louisa, kao i parazitskih bolesti poput ptičje malarije. Nedavna istraživanja također su pokazala da Culex pipiens igra značajnu ulogu u vektoru i prijenosu štetnih bakterija poput Bacillus cereus i Staphylococcus warwickii, koje kontaminiraju hranu i pogoršavaju probleme javnog zdravstva. Visoka prilagodljivost, preživljavanje i otpornost komaraca na metode suzbijanja čine ih teškim za suzbijanje i predstavljaju trajnu prijetnju.
Kemijski insekticidi ključni su alat u suzbijanju komaraca, posebno tijekom izbijanja bolesti koje prenose komarci. Različite klase insekticida, uključujući piretroide, organofosfate i karbamate, široko se koriste za smanjenje populacije komaraca i prijenosa bolesti. Međutim, široko rasprostranjena i dugotrajna upotreba ovih kemikalija dovela je do ozbiljnih problema za okoliš i javno zdravlje, uključujući poremećaje ekosustava, štetne učinke na neciljane vrste i brzi razvoj otpornosti na insekticide u populacijama komaraca.11, 12, 13, 14Ova otpornost značajno smanjuje učinkovitost mnogih tradicionalnih insekticida, što naglašava hitnu potrebu za inovativnim kemijskim rješenjima s novim mehanizmima djelovanja kako bi se učinkovito suprotstavilo tim rastućim prijetnjama.11, 12, 13, 14Kako bi se suočili s ovim ozbiljnim izazovima, istraživači se okreću alternativnim strategijama poput biokontrole, genetskog inženjeringa i integriranog upravljanja vektorima (IVM). Ovi pristupi pokazuju obećanje za održivu, dugoročnu kontrolu komaraca. Međutim, tijekom epidemija i izvanrednih situacija, kemijske metode ostaju ključne za brzi odgovor.
Izokinolinski alkaloidi su važni heterociklički spojevi koji sadrže dušik, široko rasprostranjeni u biljnom carstvu, uključujući porodice kao što su Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae i Menispermaceae.30 Prethodne studije su potvrdile da izokinolinski alkaloidi posjeduju raznoliku biološku aktivnost i strukturna svojstva, uključujući insekticidno, antidijabetičko, antitumorsko, antifungalno, protuupalno, antibakterijsko, antiparazitsko, antioksidativno, antivirusno i neuroprotektivno djelovanje.
U ovoj studiji, vrijednosti χ² za sve spojeve bile su ispod kritičnog praga, a vrijednosti p bile su iznad 0,05. Ovi rezultati potvrđuju pouzdanost procjena LC₅₀ i pokazuju da probabilistička regresija može učinkovito opisati uočeni odnos doze i odgovora. Stoga su vrijednosti LC₅₀ i indeksi toksičnosti (TI) izračunati na temelju najaktivnijeg spoja (1a) vrlo pouzdani i prikladni za usporedbu toksikoloških učinaka.
Kako bismo procijenili interakcije 12 novo sintetiziranih derivata tiofen-izokinolina i njihovog prekursora 1a s dva ključna neuronska cilja komaraca - acetilkolinesterazom (AChE) i nikotinskim acetilkolinskim receptorom (nAChR) - proveli smo molekularno modeliranje pristajanja. Ovi ciljevi su odabrani na temelju neurotoksičnih simptoma uočenih u testovima larvalne smrti, što ukazuje na oštećenu neuronsku signalizaciju. Nadalje, strukturna sličnost ovih spojeva s organofosfatima i neonikotinoidima dodatno podupire preferirani izbor ovih ciljeva, budući da organofosfati i neonikotinoidi ostvaruju svoje toksične učinke inhibiranjem AChE i aktiviranjem nAChR.
Nadalje, nekoliko spojeva (uključujući 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f i 7) interagira sa SER280. Ostaci SER280 uključeni su u oblikovanje konformacija kristalne strukture i očuvani su u redopiranoj konformaciji BT7. Ova raznolikost načina interakcije naglašava prilagodljivost ovih spojeva u aktivnom mjestu, pri čemu SER280 i GLU359 potencijalno služe kao adaptivna sidrišna mjesta u uvjetima vezivanja. Česte interakcije uočene između sintetskih derivata i ključnih ostataka poput GLU359 i SER280, koji su komponente poznate katalitičke trijade SER-HIS-GLU u ljudskoj acetilkolinesterazi (AChE), dodatno podupiru hipotezu da ovi spojevi mogu imati snažne inhibitorne učinke na AChE vezanjem na katalitički važna mjesta.29, 61, 64
Značajno je da su spoj 6 i njegov prethodnik 1a pokazali najsnažniju aktivnost protiv ličinki u biološkom testu, pokazujući najniže LC₅₀ vrijednosti među spojevima u seriji. Na molekularnoj razini, spoj 6 pokazuje kritičnu interakciju s klorpirifosom na mjestu GLU359, dok se spoj 1a preklapa s ponovno dopiranim BT7 putem vodikove veze sa SER280. I GLU359 i SER280 prisutni su u izvornoj kristalografskoj konformaciji vezanja BT7 i komponente su konzerviranog katalitičkog tripleta acetilkolinesteraze (SER–HIS–GLU), što ističe funkcionalni značaj ovih interakcija u održavanju inhibitorne aktivnosti spojeva (slika 10).
Uočena sličnost u mjestima vezanja između derivata BT7 (uključujući nativni i rekonstituirani BT7) i klorpirifosa, posebno na ostacima ključnim za katalitičku aktivnost, snažno sugerira zajednički mehanizam inhibicije između ovih spojeva. Sveukupno, ovi rezultati potvrđuju značajan potencijal derivata tiofen-izokinolina kao vrlo potentnih inhibitora acetilkolinesteraze zbog njihovih konzerviranih i biološki relevantnih interakcija.
Snažna korelacija između rezultata molekularnog spajanja i rezultata larvalnog biološkog testa dodatno potvrđuje da su acetilkolinesteraza (AChE) i nikotinski acetilkolinski receptor (nAChR) primarne neurotoksične mete sintetiziranih derivata tiofen-izokinolinona. Iako rezultati spajanja pružaju važne informacije o afinitetu receptora i liganda, treba prepoznati da sama energija vezanja nije dovoljna da bi se u potpunosti objasnila insekticidna učinkovitost in vivo. Razlike u vrijednostima LC₅₀ između spojeva sa sličnim karakteristikama spajanja mogu biti posljedica čimbenika kao što su metabolička stabilnost, apsorpcija, bioraspoloživost i distribucija u kukcima.⁶⁰,⁶⁴Međutim, racionalni strukturni dizajn, visoki afinitet receptora simuliran računalnom simulacijom i snažna biološka aktivnost snažno podupiru stav da su AChE i nAChR glavni medijatori uočene neurotoksičnosti.
Zaključno, sintetizirani tiofen-izokinolinonski hibridi posjeduju ključne strukturne i funkcionalne elemente koji su uvelike kompatibilni s poznatim neuroaktivnim insekticidima. Njihova sposobnost učinkovitog vezanja na acetilkolinesterazu (AChE) i nikotinske acetilkolinske receptore (nAChR) putem komplementarnih mehanizama interakcije ističe njihov potencijal kao insekticida s dvostrukim ciljem. Ovaj dvostruki mehanizam ne samo da pojačava insekticidnu učinkovitost, već i pruža obećavajuću strategiju za prevladavanje postojećih mehanizama otpornosti, što ove spojeve čini obećavajućim kandidatima za razvoj sredstava za suzbijanje komaraca sljedeće generacije.
Molekularno dinamičke (MD) simulacije koriste se za validaciju i proširenje rezultata molekularnog spajanja, pružajući realističniju i vremenski ovisnu procjenu interakcija ligand-cilj pod fiziološki realnim uvjetima. Iako molekularno spajanje može pružiti vrijedne preliminarne informacije o potencijalnim položajima i afinitetima vezanja, to je statički model i ne može uzeti u obzir fleksibilnost receptora, dinamiku otapala ili vremenske fluktuacije u molekularnim interakcijama. Stoga su MD simulacije važna komplementarna metoda za procjenu stabilnosti kompleksa, robusnosti interakcija i konformacijskih promjena liganda i proteina tijekom vremena.60, 62, 71
Na temelju njihovih superiornijih svojstava vezanja na acetilkolinesterazu (AChE) u usporedbi s nikotinskim acetilkolinskim receptorom (nAChR), odabrali smo roditeljsku molekulu 1a (s najnižom vrijednošću LC₅₀) i najaktivniji tiofen-izokinolinski spoj 6 za simulacije molekularne dinamike (MD). Cilj je bio procijeniti je li njihova konformacija vezanja u aktivnom mjestu AChE ostala stabilna tijekom 100 ns simulacije i usporediti njihovo ponašanje vezanja s ponašanjem klorpirifosa i kokristaliziranog inhibitora AChE BT7.
Simulacije molekularne dinamike uključivale su srednju kvadratnu devijaciju (RMSD) za procjenu ukupne stabilnosti kompleksa; srednju kvadratnu devijaciju fluktuacija (RMSF) za proučavanje fleksibilnosti ostataka; te analizu interakcije ligand-akceptor za određivanje stabilnosti vodikovih veza, hidrofobnih kontakata i ionskih interakcija (Dodatni podaci). Iako su vrijednosti RMSD i RMSF za sve ligande ostale unutar stabilnog raspona, što ukazuje na to da nema značajnih konformacijskih promjena u kompleksu AChE-ligand (Slika 12), sami ovi parametri nisu dovoljni da bi se u potpunosti objasnile razlike u masi vezanja između spojeva.
Vrijeme objave: 15. prosinca 2025.