Myggburna sjukdomar är fortfarande ett allvarligt globalt folkhälsoproblemVäxande resistens hos sjukdomsvektorer, såsom Culex pipiens pallens, mot traditionella insekticider förvärrar ytterligare detta problem. I denna studie designades, syntetiserades och utvärderades en serie nya tiofen-isokinolinonhybrider som potentiella larvicider. Bland de syntetiserade föreningarna uppvisade derivaten 5f, 6 och 7 signifikant larvicid aktivitet mot Culex pipiens pallens-larver med LC₅₀-värden på 0,3, 0,1 respektive 1,85 μg/ml. Det är värt att notera att alla tolv tiofen-isokinolinonderivat uppvisade signifikant högre toxicitet än referensorganofosfatinsekticiden klorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), vilket bekräftar den överlägsna toxiciteten hos dessa föreningar. Intressant nog uppvisade den syntetiska intermediären 1a (en tiofensemiester) den högsta potensen (LC₅₀ = 0,004 μg/ml), och även om den ännu inte var helt optimerad, översteg dess potens fortfarande den för alla slutliga derivat. Mekanistiska biologiska studier avslöjade robusta neurotoxicitetssymptom, vilket tyder på nedsatt kolinerg funktion. Molekylär dockning och molekylärdynamiksimuleringar bekräftade denna observation och avslöjade starka specifika interaktioner med acetylkolinesteras (AChE) och den nikotiniska acetylkolinreceptorn (nAChR), vilket tyder på en möjlig dubbelverkande mekanism. Beräkningar med densitetsfunktionalteori (DFT) bekräftade ytterligare de gynnsamma elektroniska egenskaperna och reaktiviteten hos de aktiva föreningarna. Den strukturella mångfalden och den genomgående höga potensen hos denna serie av föreningar kan minska risken för korsresistens och underlätta strategier för resistenshantering genom föreningsrotation eller kombination. Sammantaget indikerar dessa resultat att tiofen-isokinolinonhybrider är ett lovande alternativ för utveckling av nästa generations larvicider som riktar sig mot neurofysiologiska vägar hos insektsvektorer.
Myggor är bland de mest effektiva vektorerna för infektionssjukdomar, de sprider ett brett spektrum av farliga patogener och utgör ett betydande hot mot den globala folkhälsan. Arter som Culex pipiens, Aedes aegypti och Anopheles gambiae är särskilt kända för att överföra virus, bakterier och parasiter, vilket orsakar miljontals infektioner och många dödsfall årligen. Till exempel är Culex pipiens en viktig vektor för arbovirus som West Nile-virus och St. Louis encefalitvirus, såväl som parasitsjukdomar som fågelmalaria. Ny forskning har också visat att Culex pipiens spelar en betydande roll i vektorn och överföringen av skadliga bakterier som Bacillus cereus och Staphylococcus warwickii, som förorenar livsmedel och förvärrar folkhälsoproblem. Myggornas höga anpassningsförmåga, överlevnadsförmåga och resistens mot bekämpningsmetoder gör dem svåra att kontrollera och utgör ett ihållande hot.
Kemiska insekticider är ett viktigt verktyg i myggbekämpning, särskilt vid utbrott av myggburna sjukdomar. Olika klasser av insekticider, inklusive pyretroider, organofosfater och karbamater, används ofta för att minska myggpopulationer och sjukdomsöverföring. Den utbredda och långvariga användningen av dessa kemikalier har dock lett till allvarliga miljö- och folkhälsoproblem, inklusive störningar i ekosystemet, skadliga effekter på icke-målarter och den snabba utvecklingen av insektsmedelsresistens i myggpopulationer.11, 12, 13, 14Denna resistens minskar avsevärt effektiviteten hos många traditionella insekticider, vilket belyser det akuta behovet av innovativa kemiska lösningar med nya verkningsmekanismer för att effektivt motverka dessa ständigt föränderliga hot.11, 12, 13, 14För att hantera dessa allvarliga utmaningar vänder sig forskare till alternativa strategier som biobekämpning, genteknik och integrerad vektorhantering (IVM). Dessa metoder visar lovande resultat för hållbar, långsiktig myggbekämpning. Men under epidemier och nödsituationer är kemiska metoder fortfarande avgörande för snabba insatser.
Isokinolinalkaloider är viktiga kvävehaltiga heterocykliska föreningar som är vitt spridda i växtriket, inklusive familjer som Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae och Menispermaceae.30 Tidigare studier har bekräftat att isokinolinalkaloider har olika biologiska aktiviteter och strukturella egenskaper, inklusive insekticida, antidiabetiska, antitumördämpande, svampdödande, antiinflammatoriska, antibakteriella, antiparasitiska, antioxidanta, antivirala och neurobeskyddande effekter.
I denna studie låg χ²-värdena för alla föreningar under det kritiska tröskelvärdet, och p-värdena låg över 0,05. Dessa resultat bekräftar tillförlitligheten hos LC₅₀-uppskattningarna och visar att probabilistisk regression effektivt kan beskriva det observerade dos-responsförhållandet. Därför är LC₅₀-värden och toxicitetsindex (TI) beräknade baserat på den mest aktiva föreningen (1a) mycket tillförlitliga och lämpliga för att jämföra toxikologiska effekter.
För att utvärdera interaktionerna mellan 12 nysyntetiserade tiofen-isokinolinonderivat och deras prekursor 1a med två viktiga neuronala mål för mygg – acetylkolinesteras (AChE) och den nikotiniska acetylkolinreceptorn (nAChR) – utförde vi molekylär dockningsmodellering. Dessa mål valdes baserat på neurotoxiska symtom observerade i larvdödsanalyser, vilket indikerar försämrad neuronal signalering. Dessutom stöder den strukturella likheten mellan dessa föreningar och organofosfater och neonikotinoider ytterligare det föredragna valet av dessa mål, eftersom organofosfater och neonikotinoider utövar sina toxiska effekter genom att hämma AChE respektive aktivera nAChR.
Dessutom interagerar flera föreningar (inklusive 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f och 7) med SER280. SER280-rester är involverade i att forma kristallstrukturkonformationer och är bevarade i den redopade konformationen av BT7. Denna mångfald av interaktionslägen belyser dessa föreningars anpassningsförmåga i det aktiva sätet, där SER280 och GLU359 potentiellt fungerar som adaptiva ankarställen under dockningsförhållanden. De frekventa interaktioner som observerats mellan syntetiska derivat och nyckelrester såsom GLU359 och SER280, vilka är komponenter i den kända SER-HIS-GLU katalytiska triaden i humant acetylkolinesteras (AChE), stöder ytterligare hypotesen att dessa föreningar kan utöva potenta hämmande effekter på AChE genom att binda till katalytiskt viktiga ställen.29,61,64
Det är anmärkningsvärt att förening 6 och dess prekursor 1a uppvisade den mest potenta aktiviteten mot larver i bioanalysen och uppvisade de lägsta LC₅₀-värdena bland föreningarna i serien. På molekylär nivå uppvisar förening 6 en kritisk interaktion med klorpyrifos vid GLU359-stället, medan förening 1a överlappar med omdopad BT7 via en vätebindning till SER280. Både GLU359 och SER280 finns i den ursprungliga kristallografiska bindningskonformationen av BT7 och är komponenter i den konserverade katalytiska tripletten av acetylkolinesteras (SER–HIS–GLU), vilket belyser den funktionella betydelsen av dessa interaktioner för att upprätthålla föreningarnas hämmande aktivitet (Fig. 10).
Den observerade likheten i bindningsställen mellan BT7-derivat (inklusive nativt och rekonstituerat BT7) och klorpyrifos, särskilt vid rester som är kritiska för katalytisk aktivitet, tyder starkt på en gemensam hämningsmekanism mellan dessa föreningar. Sammantaget bekräftar dessa resultat den betydande potentialen hos tiofen-isokinolinonderivat som mycket potenta acetylkolinesterashämmare på grund av deras konserverade och biologiskt relevanta interaktioner.
En stark korrelation mellan resultaten från den molekylära dockningen och resultaten från larvbioassayen bekräftar ytterligare att acetylkolinesteras (AChE) och den nikotiniska acetylkolinreceptorn (nAChR) är de primära neurotoxiska målen för de syntetiserade tiofen-isokinolinonderivaten. Även om dockningsresultaten ger viktig information om receptor-ligandaffinitet, bör det noteras att bindningsenergin ensam är otillräcklig för att helt förklara insekticidal effekt in vivo. Skillnader i LC₅₀-värden mellan föreningar med liknande dockningsegenskaper kan bero på faktorer som metabolisk stabilitet, absorption, biotillgänglighet och distribution i insekter.⁶⁰,⁶⁴Den rationella strukturella designen, den höga receptoraffiniteten som simulerats genom datorsimulering och den potenta biologiska aktiviteten stöder dock starkt uppfattningen att AChE och nAChR är de huvudsakliga mediatorerna för den observerade neurotoxiciteten.
Sammanfattningsvis besitter de syntetiserade tiofen-isokinolinonhybriderna viktiga strukturella och funktionella element som i stort sett är kompatibla med kända neuroaktiva insekticider. Deras förmåga att effektivt binda till acetylkolinesteras (AChE) och nikotinacetylkolinreceptorer (nAChR) via komplementära interaktionsmekanismer belyser deras potential som insekticider med dubbla mål. Denna dubbla mekanism förbättrar inte bara den insekticida effekten utan ger också en lovande strategi för att övervinna befintliga resistensmekanismer, vilket gör dessa föreningar till lovande kandidater för utveckling av nästa generations myggbekämpningsmedel.
Molekyldynamiska (MD) simuleringar används för att validera och utöka molekylära dockningsresultat, vilket ger en mer realistisk och tidsberoende bedömning av ligand-mål-interaktioner under fysiologiskt realistiska förhållanden. Även om molekylär dockning kan ge värdefull preliminär information om potentiella bindningspositioner och affiniteter, är det en statisk modell och kan inte ta hänsyn till receptorflexibilitet, lösningsmedelsdynamik eller tidsmässiga fluktuationer i molekylära interaktioner. Därför är MD-simuleringar en viktig kompletterande metod för att bedöma komplex stabilitet, interaktionsrobusthet och konformationsförändringar i ligander och proteiner över tid.60, 62, 71
Baserat på deras överlägsna bindningsegenskaper till acetylkolinesteras (AChE) jämfört med den nikotiniska acetylkolinreceptorn (nAChR), valde vi modermolekylen 1a (med det lägsta LC₅₀-värdet) och den mest aktiva tiofen-isokinolinföreningen 6 för molekylärdynamik (MD) simuleringar. Målet var att utvärdera om deras bindningskonformation i AChE:s aktiva plats förblev stabil över 100 ns simulering och att jämföra deras bindningsbeteende med klorpyrifos och den rebound-kokristalliserade AChE-hämmaren BT7.
Molekyldynamiksimuleringar inkluderade root mean square deviation (RMSD) för att bedöma komplexets övergripande stabilitet; root mean square deviation of fluctuations (RMSF) för att studera restflexibilitet; och ligand-acceptor-interaktionsanalys för att bestämma stabiliteten hos vätebindningar, hydrofoba kontakter och joniska interaktioner (kompletterande data). Även om RMSD- och RMSF-värdena för alla ligander förblev inom ett stabilt intervall, vilket indikerar inga signifikanta konformationsförändringar i AChE-ligandkomplexet (Figur 12), är dessa parametrar ensamma otillräckliga för att helt förklara skillnaderna i bindningsmassa mellan föreningarna.
Publiceringstid: 15 december 2025