Myggebårne sygdomme er fortsat et alvorligt globalt folkesundhedsproblemVoksende resistens hos sygdomsvektorer, såsom Culex pipiens pallens, over for traditionelle insekticider forværrer dette problem yderligere. I denne undersøgelse blev en række nye thiophen-isoquinolinon-hybrider designet, syntetiseret og evalueret som potentielle larvicider. Blandt de syntetiserede forbindelser udviste derivaterne 5f, 6 og 7 signifikant larvicid aktivitet mod Culex pipiens pallens-larver med LC₅₀-værdier på henholdsvis 0,3, 0,1 og 1,85 μg/ml. Det er værd at bemærke, at alle tolv thiophen-isoquinolinon-derivater udviste signifikant højere toksicitet end referenceorganofosfatinsekticidet chlorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), hvilket bekræfter den overlegne toksicitet af disse forbindelser. Interessant nok udviste det syntetiske mellemprodukt 1a (en thiophen-semiester) den højeste potens (LC₅₀ = 0,004 μg/ml), og selvom det endnu ikke var fuldt optimeret, oversteg dets potens stadig potensen for alle slutderivater. Mekanistiske biologiske undersøgelser afslørede robuste neurotoksicitetssymptomer, hvilket tyder på nedsat kolinerg funktion. Molekylære docking- og molekylærdynamiske simuleringer bekræftede denne observation og afslørede stærke specifikke interaktioner med acetylcholinesterase (AChE) og den nikotiniske acetylcholinreceptor (nAChR), hvilket tyder på en mulig dobbeltvirkende mekanisme. Beregninger baseret på densitetsfunktionsteori (DFT) bekræftede yderligere de gunstige elektroniske egenskaber og reaktivitet af de aktive forbindelser. Den strukturelle diversitet og den konstant høje potens af denne serie af forbindelser kan reducere risikoen for krydsresistens og lette resistenshåndteringsstrategier gennem rotation eller kombination af forbindelser. Samlet set indikerer disse resultater, at thiophen-isoquinolinon-hybrider er en lovende mulighed for udvikling af næste generations larvicider, der er målrettet mod insektvektorers neurofysiologiske veje.
Myg er blandt de mest effektive vektorer for infektionssygdomme, idet de spreder en bred vifte af farlige patogener og udgør en betydelig trussel mod den globale folkesundhed. Arter som Culex pipiens, Aedes aegypti og Anopheles gambiae er særligt kendte for at overføre vira, bakterier og parasitter, hvilket forårsager millioner af infektioner og adskillige dødsfald årligt. For eksempel er Culex pipiens en vigtig vektor for arbovirusser som West Nile-virus og St. Louis encephalitis-virus, samt parasitsygdomme som fuglemalaria. Nyere forskning har også vist, at Culex pipiens spiller en betydelig rolle i vektoren og overførslen af skadelige bakterier som Bacillus cereus og Staphylococcus warwickii, som forurener fødevarer og forværrer folkesundhedsproblemer. Myggenes høje tilpasningsevne, overlevelsesevne og resistens over for bekæmpelsesmetoder gør dem vanskelige at bekæmpe og udgør en vedvarende trussel.
Kemiske insekticider er et nøgleværktøj i bekæmpelsen af myg, især under udbrud af myggebårne sygdomme. Forskellige klasser af insekticider, herunder pyrethroider, organofosfater og carbamater, anvendes i vid udstrækning til at reducere myggepopulationer og sygdomsoverførsel. Den udbredte og langvarige brug af disse kemikalier har imidlertid ført til alvorlige miljømæssige og folkesundhedsmæssige bekymringer, herunder økosystemforstyrrelser, skadelige virkninger på ikke-målarter og den hurtige udvikling af insekticidresistens i myggepopulationer.11, 12, 13, 14Denne resistens reducerer effektiviteten af mange traditionelle insekticider betydeligt, hvilket understreger det presserende behov for innovative kemiske løsninger med nye virkningsmekanismer til effektivt at imødegå disse udviklende trusler.11, 12, 13, 14For at imødegå disse alvorlige udfordringer vender forskere sig mod alternative strategier såsom biobekæmpelse, genteknologi og integreret vektorhåndtering (IVM). Disse tilgange viser lovende resultater for bæredygtig, langsigtet mygbekæmpelse. Under epidemier og nødsituationer er kemiske metoder dog fortsat afgørende for hurtig reaktion.
Isokinolinalkaloider er vigtige nitrogenholdige heterocykliske forbindelser, der er vidt udbredte i planteriget, herunder familier som Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae og Menispermaceae.30 Tidligere undersøgelser har bekræftet, at isokinolinalkaloider besidder forskellige biologiske aktiviteter og strukturelle egenskaber, herunder insekticide, antidiabetiske, antitumor-, svampedræbende, antiinflammatoriske, antibakterielle, antiparasitiske, antioxidante, antivirale og neurobeskyttende virkninger.
I denne undersøgelse var χ²-værdierne for alle forbindelser under den kritiske tærskel, og p-værdierne var over 0,05. Disse resultater bekræfter pålideligheden af LC₅₀-estimater og viser, at probabilistisk regression effektivt kan beskrive det observerede dosis-respons-forhold. Derfor er LC₅₀-værdier og toksicitetsindekser (TI'er) beregnet ud fra den mest aktive forbindelse (1a) yderst pålidelige og egnede til sammenligning af toksikologiske effekter.
For at evaluere interaktionerne mellem 12 nyligt syntetiserede thiophen-isoquinolinon-derivater og deres precursor 1a med to centrale neuronale mål hos myg - acetylcholinesterase (AChE) og den nikotiniske acetylcholinreceptor (nAChR) - udførte vi molekylær dockingmodellering. Disse mål blev udvalgt baseret på neurotoksiske symptomer observeret i larvedødsassays, hvilket indikerer forringet neuronal signalering. Desuden understøtter den strukturelle lighed mellem disse forbindelser og organofosfater og neonicotinoider yderligere det foretrukne valg af disse mål, da organofosfater og neonicotinoider udøver deres toksiske virkninger ved henholdsvis at hæmme AChE og aktivere nAChR.
Derudover interagerer adskillige forbindelser (herunder 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f og 7) med SER280. SER280-rester er involveret i dannelsen af krystalstrukturkonformationer og er bevaret i den redoperede konformation af BT7. Denne mangfoldighed af interaktionsmåder fremhæver disse forbindelsers tilpasningsevne i det aktive sted, hvor SER280 og GLU359 potentielt fungerer som adaptive ankersteder under dockingforhold. De hyppige interaktioner, der observeres mellem syntetiske derivater og nøglerester såsom GLU359 og SER280, som er komponenter i den kendte SER-HIS-GLU katalytiske triade i human acetylcholinesterase (AChE), understøtter yderligere hypotesen om, at disse forbindelser kan udøve potente hæmmende virkninger på AChE ved at binde til katalytisk vigtige steder.29,61,64
Det er værd at bemærke, at forbindelse 6 og dens forløber 1a udviste den mest potente aktivitet mod larver i bioassayet og viste de laveste LC₅₀-værdier blandt forbindelserne i serien. På molekylært niveau udviser forbindelse 6 en kritisk interaktion med chlorpyrifos på GLU359-stedet, mens forbindelse 1a overlapper med redoperet BT7 via en hydrogenbinding til SER280. Både GLU359 og SER280 er til stede i den oprindelige krystallografiske bindingskonformation af BT7 og er komponenter i den konserverede katalytiske triplet af acetylcholinesterase (SER-HIS-GLU), hvilket fremhæver den funktionelle betydning af disse interaktioner i opretholdelsen af forbindelsernes hæmmende aktivitet (fig. 10).
Den observerede lighed i bindingssteder mellem BT7-derivater (inklusive nativt og rekonstitueret BT7) og chlorpyrifos, især ved rester, der er kritiske for katalytisk aktivitet, tyder stærkt på en fælles hæmningsmekanisme mellem disse forbindelser. Samlet set bekræfter disse resultater det betydelige potentiale af thiophen-isoquinolinon-derivater som yderst potente acetylcholinesterasehæmmere på grund af deres konserverede og biologisk relevante interaktioner.
En stærk korrelation mellem resultaterne af den molekylære docking og resultaterne af larvebioassayet bekræfter yderligere, at acetylcholinesterase (AChE) og den nikotiniske acetylcholinreceptor (nAChR) er de primære neurotoksiske mål for de syntetiserede thiophen-isoquinolinonderivater. Selvom dockingresultaterne giver vigtig information om receptor-ligandaffinitet, skal det erkendes, at bindingsenergi alene er utilstrækkelig til fuldt ud at forklare insekticid effektivitet in vivo. Forskelle i LC₅₀-værdier mellem forbindelser med lignende dockingkarakteristika kan skyldes faktorer som metabolisk stabilitet, absorption, biotilgængelighed og distribution i insekter.⁶⁰,⁶⁴Det rationelle strukturelle design, den høje receptoraffinitet simuleret ved computersimulering og den potente biologiske aktivitet understøtter imidlertid stærkt synspunktet om, at AChE og nAChR'er er de vigtigste mediatorer for den observerede neurotoksicitet.
Afslutningsvis besidder de syntetiserede thiophen-isoquinolinon-hybrider centrale strukturelle og funktionelle elementer, der i vid udstrækning er kompatible med kendte neuroaktive insekticider. Deres evne til effektivt at binde sig til acetylcholinesterase (AChE) og nikotinacetylcholinreceptorer (nAChR'er) via komplementære interaktionsmekanismer fremhæver deres potentiale som insekticider med dobbelt mål. Denne dobbelte mekanisme forbedrer ikke kun den insekticide effekt, men giver også en lovende strategi til at overvinde eksisterende resistensmekanismer, hvilket gør disse forbindelser til lovende kandidater til udvikling af næste generations myggebekæmpelsesmidler.
Molekyldynamiske (MD) simuleringer bruges til at validere og udvide molekylære dockingresultater, hvilket giver en mere realistisk og tidsafhængig vurdering af ligand-mål-interaktioner under fysiologisk realistiske forhold. Selvom molekylær docking kan give værdifuld foreløbig information om potentielle bindingspositioner og affiniteter, er det en statisk model og kan ikke tage højde for receptorfleksibilitet, opløsningsmiddeldynamik eller tidsmæssige udsving i molekylære interaktioner. Derfor er MD-simuleringer en vigtig supplerende metode til at vurdere kompleks stabilitet, interaktionsrobusthed og konformationsændringer i ligander og proteiner over tid.60,62,71
Baseret på deres overlegne bindingsegenskaber til acetylcholinesterase (AChE) sammenlignet med den nikotiniske acetylcholinreceptor (nAChR), valgte vi modermolekylet 1a (med den laveste LC₅₀-værdi) og den mest aktive thiophen-isoquinolinforbindelse 6 til molekylærdynamiske (MD) simuleringer. Målet var at evaluere, om deres bindingskonformation i det aktive AChE-sted forblev stabil over 100 ns simulering, og at sammenligne deres bindingsadfærd med chlorpyrifos og den rebound-cokrystalliserede AChE-hæmmer BT7.
Molekyldynamiske simuleringer omfattede root mean square deviation (RMSD) for at vurdere den samlede komplekse stabilitet; root mean square deviation of fluctuations (RMSF) for at studere restfleksibilitet; og ligand-acceptor interaktionsanalyse for at bestemme stabiliteten af hydrogenbindinger, hydrofobe kontakter og ioniske interaktioner (Supplerende data). Selvom RMSD- og RMSF-værdierne for alle ligander forblev inden for et stabilt område, hvilket indikerer ingen signifikante konformationsændringer i AChE-ligandkomplekset (Figur 12), er disse parametre alene utilstrækkelige til fuldt ud at forklare forskellene i bindingsmasse mellem forbindelserne.
Udsendelsestidspunkt: 15. dec. 2025