Nemoci přenášené komáry zůstávají vážným globálním problémem veřejného zdravíRostoucí rezistence přenašečů chorob, jako je Culex pipiens pallens, vůči tradičním insekticidům tento problém dále zhoršuje. V této studii byla navržena, syntetizována a vyhodnocena řada nových hybridů thiofen-isochinolinonů jako potenciální larvicidy. Mezi syntetizovanými sloučeninami prokázaly deriváty 5f, 6 a 7 významnou larvicidní aktivitu proti larvám Culex pipiens pallens s hodnotami LC₅₀ 0,3, 0,1 a 1,85 μg/ml. Je pozoruhodné, že všech dvanáct derivátů thiofen-isochinolinonů prokázalo významně vyšší toxicidu než referenční organofosfátový insekticid chlorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), což potvrzuje vyšší toxicitu těchto sloučenin. Je zajímavé, že syntetický meziprodukt 1a (thiofen-semiester) vykazoval nejvyšší účinnost (LC₅₀ = 0,004 μg/ml) a ačkoli ještě nebyl plně optimalizován, jeho účinnost stále převyšovala účinnost všech finálních derivátů. Mechanisticko-biologické studie odhalily silné neurotoxicidní symptomy, které naznačují zhoršenou cholinergní funkci. Molekulární dokovací a molekulárně-dynamické simulace toto pozorování potvrdily a odhalily silné specifické interakce s acetylcholinesterázou (AChE) a nikotinovým acetylcholinovým receptorem (nAChR), což naznačuje možný mechanismus dvojího účinku. Výpočty teorie funkcionálu hustoty (DFT) dále potvrdily příznivé elektronické vlastnosti a reaktivitu aktivních sloučenin. Strukturní rozmanitost a konzistentně vysoká účinnost této řady sloučenin mohou snižovat riziko zkřížené rezistence a usnadňovat strategie řízení rezistence prostřednictvím rotace nebo kombinace sloučenin. Celkově tyto výsledky naznačují, že hybridy thiofenu a isochinolinonu jsou slibnou možností pro vývoj larvicidů nové generace cílených na neurofyziologické dráhy hmyzích přenašečů.
Komáři patří mezi nejúčinnější přenašeče infekčních onemocnění, šíří širokou škálu nebezpečných patogenů a představují významnou hrozbu pro globální veřejné zdraví. Druhy jako Culex pipiens, Aedes aegypti a Anopheles gambiae jsou obzvláště známé pro přenos virů, bakterií a parazitů, což každoročně způsobuje miliony infekcí a četná úmrtí. Například Culex pipiens je hlavním přenašečem arbovirů, jako je virus západonilské horečky a virus encefalitidy St. Louis, a také parazitárních onemocnění, jako je ptačí malárie. Nedávný výzkum také ukázal, že Culex pipiens hraje významnou roli v přenašeči a přenosu škodlivých bakterií, jako je Bacillus cereus a Staphylococcus warwickii, které kontaminují potraviny a zhoršují problémy veřejného zdraví. Vysoká adaptabilita, přežití a odolnost komárů vůči metodám hubení ztěžují jejich kontrolu a představují trvalou hrozbu.
Chemické insekticidy jsou klíčovým nástrojem v hubení komárů, zejména během vypuknutí nemocí přenášených komáry. Různé třídy insekticidů, včetně pyrethroidů, organofosfátů a karbamátů, se široce používají ke snížení populací komárů a přenosu nemocí. Rozšířené a dlouhodobé používání těchto chemikálií však vedlo k vážným problémům v oblasti životního prostředí a veřejného zdraví, včetně narušení ekosystémů, škodlivých účinků na necílové druhy a rychlého rozvoje rezistence na insekticidy v populacích komárů.11, 12, 13, 14Tato rezistence významně snižuje účinnost mnoha tradičních insekticidů, což zdůrazňuje naléhavou potřebu inovativních chemických řešení s novými mechanismy účinku, aby bylo možné účinně čelit těmto vyvíjejícím se hrozbám.11, 12, 13, 14Aby se vědci vypořádali s těmito závažnými výzvami, obracejí se k alternativním strategiím, jako je biokontrola, genetické inženýrství a integrovaná ochrana před přenašeči (IVM). Tyto přístupy slibují udržitelnou a dlouhodobou kontrolu komárů. Během epidemií a mimořádných událostí však chemické metody zůstávají pro rychlou reakci klíčové.
Isochinolinové alkaloidy jsou důležité dusíkaté heterocyklické sloučeniny široce rozšířené v rostlinné říši, včetně čeledí jako Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae a Menispermaceae.30 Předchozí studie potvrdily, že isochinolinové alkaloidy mají rozmanité biologické aktivity a strukturní vlastnosti, včetně insekticidních, antidiabetických, protinádorových, antifungálních, protizánětlivých, antibakteriálních, antiparazitárních, antioxidačních, antivirových a neuroprotektivních účinků.
V této studii byly hodnoty χ² pro všechny sloučeniny pod kritickou hranicí a hodnoty p byly nad 0,05. Tyto výsledky potvrzují spolehlivost odhadů LC₅₀ a ukazují, že pravděpodobnostní regrese může účinně popsat pozorovaný vztah mezi dávkou a odpovědí. Hodnoty LC₅₀ a indexy toxicity (TI) vypočítané na základě nejaktivnější sloučeniny (1a) jsou proto vysoce spolehlivé a vhodné pro porovnání toxikologických účinků.
Pro vyhodnocení interakcí 12 nově syntetizovaných derivátů thiofen-isochinolinonu a jejich prekurzoru 1a se dvěma klíčovými neuronálními cíli komárů – acetylcholinesterázou (AChE) a nikotinovým acetylcholinovým receptorem (nAChR) – jsme provedli molekulární dokovací modelování. Tyto cíle byly vybrány na základě neurotoxických symptomů pozorovaných v testech larvální smrti, což naznačuje narušenou neuronální signalizaci. Strukturní podobnost těchto sloučenin s organofosfáty a neonikotinoidy dále podporuje preferovanou volbu těchto cílů, protože organofosfáty a neonikotinoidy uplatňují své toxické účinky inhibicí AChE a aktivací nAChR.
Kromě toho několik sloučenin (včetně 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f a 7) interaguje se SER280. Zbytky SER280 se podílejí na formování konformací krystalové struktury a jsou konzervovány v redopované konformaci BT7. Tato rozmanitost interakčních režimů zdůrazňuje adaptabilitu těchto sloučenin v aktivním místě, přičemž SER280 a GLU359 potenciálně slouží jako adaptivní kotevní místa za podmínek dokování. Časté interakce pozorované mezi syntetickými deriváty a klíčovými zbytky, jako jsou GLU359 a SER280, které jsou složkami známé katalytické triády SER-HIS-GLU v lidské acetylcholinesteráze (AChE), dále podporují hypotézu, že tyto sloučeniny mohou mít silné inhibiční účinky na AChE vazbou na katalyticky důležitá místa.29, 61, 64
Je pozoruhodné, že sloučenina 6 a její prekurzor 1a prokázaly v biologickém testu nejsilnější aktivitu proti larvám a vykazovaly nejnižší hodnoty LC₅₀ mezi sloučeninami v sérii. Na molekulární úrovni vykazuje sloučenina 6 kritickou interakci s chlorpyrifosem v místě GLU359, zatímco sloučenina 1a se překrývá s znovu dopovaným BT7 prostřednictvím vodíkové vazby k SER280. GLU359 i SER280 jsou přítomny v původní krystalografické vazebné konformaci BT7 a jsou složkami konzervovaného katalytického tripletu acetylcholinesterázy (SER–HIS–GLU), což zdůrazňuje funkční význam těchto interakcí pro udržení inhibiční aktivity sloučenin (obr. 10).
Pozorovaná podobnost vazebných míst mezi deriváty BT7 (včetně nativního a rekonstituovaného BT7) a chlorpyrifosem, zejména ve vazebných místech kritických pro katalytickou aktivitu, silně naznačuje společný mechanismus inhibice mezi těmito sloučeninami. Celkově tyto výsledky potvrzují významný potenciál derivátů thiofen-isochinolinonu jako vysoce účinných inhibitorů acetylcholinesterázy díky jejich konzervovaným a biologicky relevantním interakcím.
Silná korelace mezi výsledky molekulárního dokování a výsledky larválního biologického testu dále potvrzuje, že acetylcholinesteráza (AChE) a nikotinový acetylcholinový receptor (nAChR) jsou primárními neurotoxickými cíli syntetizovaných derivátů thiofen-isochinolinonu. Ačkoli výsledky dokování poskytují důležité informace o afinitě receptoru k ligandu, je třeba si uvědomit, že vazebná energie sama o sobě není dostatečná k plnému vysvětlení insekticidní účinnosti in vivo. Rozdíly v hodnotách LC₅₀ mezi sloučeninami s podobnými charakteristikami dokování mohou být způsobeny faktory, jako je metabolická stabilita, absorpce, biologická dostupnost a distribuce u hmyzu.⁶⁰,⁶⁴Racionální strukturální design, vysoká afinita k receptorům simulovaná počítačovou simulací a silná biologická aktivita však silně podporují názor, že AChE a nAChR jsou hlavními mediátory pozorované neurotoxicity.
Závěrem lze říci, že syntetizované hybridy thiofenu a isochinolinonu mají klíčové strukturní a funkční prvky, které jsou do značné míry kompatibilní se známými neuroaktivními insekticidy. Jejich schopnost účinně se vázat na acetylcholinesterázu (AChE) a nikotinové acetylcholinové receptory (nAChR) prostřednictvím komplementárních interakčních mechanismů zdůrazňuje jejich potenciál jako insekticidů s dvojitým cílem. Tento dvojitý mechanismus nejen zvyšuje insekticidní účinnost, ale také poskytuje slibnou strategii pro překonání stávajících mechanismů rezistence, což činí tyto sloučeniny slibnými kandidáty pro vývoj látek proti komárům nové generace.
Molekulárně dynamické (MD) simulace se používají k validaci a rozšíření výsledků molekulárního dokování a poskytují realističtější a časově závislé posouzení interakcí ligand-cíl za fyziologicky realistických podmínek. Ačkoli molekulární dokování může poskytnout cenné předběžné informace o potenciálních vazebných pozicích a afinitách, jedná se o statický model a nemůže zohlednit flexibilitu receptoru, dynamiku rozpouštědla ani časové fluktuace v molekulárních interakcích. MD simulace jsou proto důležitou doplňkovou metodou pro posouzení stability komplexu, robustnosti interakcí a konformačních změn ligandů a proteinů v čase.60, 62, 71
Na základě jejich vynikajících vazebných vlastností k acetylcholinesteráze (AChE) ve srovnání s nikotinovým acetylcholinovým receptorem (nAChR) jsme pro molekulárně dynamické (MD) simulace vybrali mateřskou molekulu 1a (s nejnižší hodnotou LC₅₀) a nejaktivnější thiofen-isochinolinovou sloučeninu 6. Cílem bylo vyhodnotit, zda jejich vazebná konformace v aktivním místě AChE zůstala stabilní po dobu 100 ns simulace, a porovnat jejich vazebné chování s vazebným chováním chlorpyrifosu a rebound kokrystalizovaného inhibitoru AChE BT7.
Molekulárně dynamické simulace zahrnovaly efektivní střední kvadratickou odchylku (RMSD) pro posouzení celkové stability komplexu; efektivní střední kvadratickou odchylku fluktuací (RMSF) pro studium flexibility zbytků; a analýzu interakce ligand-akceptor pro stanovení stability vodíkových vazeb, hydrofobních kontaktů a iontových interakcí (doplňková data). Ačkoli hodnoty RMSD a RMSF pro všechny ligandy zůstaly ve stabilním rozmezí, což naznačuje, že nedošlo k žádným významným konformačním změnám v komplexu AChE-ligand (obrázek 12), tyto parametry samy o sobě nestačí k plnému vysvětlení rozdílů ve vazebné hmotnosti mezi sloučeninami.
Čas zveřejnění: 15. prosince 2025