Хвороби, що передаються комарами, залишаються серйозною глобальною проблемою громадського здоров'яЗростаюча стійкість переносників хвороб, таких як Culex pipiens pallens, до традиційних інсектицидів ще більше загострює цю проблему. У цьому дослідженні було розроблено, синтезовано та оцінено серію нових гібридів тіофен-ізохінолінону як потенційні ларвіциди. Серед синтезованих сполук похідні 5f, 6 та 7 продемонстрували значну ларвіцидну активність проти личинок Culex pipiens pallens зі значеннями LC₅₀ 0,3, 0,1 та 1,85 мкг/мл відповідно. Примітно, що всі дванадцять похідних тіофен-ізохінолінону продемонстрували значно вищу токсичність, ніж референсний фосфорорганічний інсектицид хлорпірифос (LC₅₀ = 293,8 мкг/мл), що підтверджує вищу токсичність цих сполук. Цікаво, що синтетичний проміжний продукт 1a (тіофеновий напівефір) продемонстрував найвищу ефективність (LC₅₀ = 0,004 мкг/мл), і хоча він ще не був повністю оптимізований, його ефективність все ще перевищувала ефективність усіх кінцевих похідних. Механістично-біологічні дослідження виявили виражені симптоми нейротоксичності, що свідчить про порушення холінергічної функції. Молекулярний докінг та моделювання молекулярної динаміки підтвердили це спостереження, виявивши сильну специфічну взаємодію з ацетилхолінестеразою (AChE) та нікотиновим ацетилхоліновим рецептором (nAChR), що свідчить про можливий механізм подвійної дії. Розрахунки за допомогою теорії функціоналу щільності (DFT) додатково підтвердили сприятливі електронні властивості та реакційну здатність активних сполук. Структурна різноманітність та постійно висока ефективність цієї серії сполук можуть знизити ризик перехресної резистентності та полегшити стратегії управління резистентністю шляхом ротації або комбінації сполук. Загалом, ці результати свідчать про те, що тіофен-ізохінолінонові гібриди є перспективним варіантом для розробки ларвіцидів наступного покоління, спрямованих на нейрофізіологічні шляхи комах-переносників.
Комарі є одними з найефективніших переносників інфекційних захворювань, поширюючи широкий спектр небезпечних патогенів і становлячи значну загрозу для здоров'я населення в усьому світі. Такі види, як Culex pipiens, Aedes aegypti та Anopheles gambiae, особливо відомі тим, що переносять віруси, бактерії та паразитів, що щорічно спричиняють мільйони інфекцій та численні смерті. Наприклад, Culex pipiens є основним переносником арбовірусів, таких як вірус Західного Нілу та вірус енцефаліту Сент-Луїса, а також паразитарних захворювань, таких як пташина малярія. Недавні дослідження також показали, що Culex pipiens відіграє значну роль у перенесенні та передачі шкідливих бактерій, таких як Bacillus cereus та Staphylococcus warwickii, які забруднюють харчові продукти та загострюють проблеми громадського здоров'я. Висока адаптивність, виживаність та стійкість комарів до методів боротьби ускладнюють їх контроль та становлять постійну загрозу.
Хімічні інсектициди є ключовим інструментом у боротьбі з комарами, особливо під час спалахів хвороб, що передаються комарами. Різні класи інсектицидів, включаючи піретроїди, органофосфати та карбамати, широко використовуються для зменшення популяцій комарів та передачі хвороб. Однак широке та тривале використання цих хімічних речовин призвело до серйозних проблем для навколишнього середовища та громадського здоров'я, включаючи порушення екосистеми, шкідливий вплив на нецільові види та швидкий розвиток стійкості до інсектицидів у популяціях комарів.11, 12, 13, 14Ця стійкість значно знижує ефективність багатьох традиційних інсектицидів, що підкреслює нагальну потребу в інноваційних хімічних рішеннях з новими механізмами дії для ефективної боротьби з цими загрозами, що постійно змінюються.11, 12, 13, 14Щоб вирішити ці серйозні проблеми, дослідники звертаються до альтернативних стратегій, таких як біоконтроль, генна інженерія та інтегрований контроль переносників (IVM). Ці підходи демонструють потенціал для сталого, довгострокового контролю над комарами. Однак під час епідемій та надзвичайних ситуацій хімічні методи залишаються вирішальними для швидкого реагування.
Ізохінолінові алкалоїди – це важливі азотовмісні гетероциклічні сполуки, широко поширені в рослинному світі, включаючи такі родини, як Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae та Menispermaceae.30 Попередні дослідження підтвердили, що ізохінолінові алкалоїди мають різноманітну біологічну активність та структурні особливості, включаючи інсектицидну, протидіабетичну, протипухлинну, протигрибкову, протизапальну, антибактеріальну, протипаразитарну, антиоксидантну, противірусну та нейропротекторну дію.
У цьому дослідженні значення χ² для всіх сполук були нижчими за критичний поріг, а значення p були вищими за 0,05. Ці результати підтверджують надійність оцінок LC₅₀ та демонструють, що ймовірнісна регресія може ефективно описувати спостережуваний зв'язок доза-відповідь. Таким чином, значення LC₅₀ та індекси токсичності (TI), розраховані на основі найактивнішої сполуки (1a), є високонадійними та придатними для порівняння токсикологічних ефектів.
Щоб оцінити взаємодію 12 нещодавно синтезованих похідних тіофен-ізохінолінону та їх попередника 1a з двома ключовими нейрональними мішенями комарів — ацетилхолінестеразою (AChE) та нікотиновим ацетилхоліновим рецептором (nAChR) — ми провели моделювання молекулярного докінгу. Ці мішені були обрані на основі нейротоксичних симптомів, що спостерігалися в аналізах загибелі личинок, що вказує на порушення нейрональної сигналізації. Крім того, структурна подібність цих сполук до органофосфатів та неонікотиноїдів додатково підтверджує кращий вибір цих мішеней, оскільки органофосфати та неонікотиноїди здійснюють свою токсичну дію, пригнічуючи AChE та активуючи nAChR відповідно.
Крім того, кілька сполук (включаючи 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f та 7) взаємодіють із SER280. Залишки SER280 беруть участь у формуванні конформацій кристалічної структури та зберігаються в редопованій конформації BT7. Така різноманітність режимів взаємодії підкреслює адаптивність цих сполук в активному центрі, причому SER280 та GLU359 потенційно служать адаптивними якірними сайтами в умовах докінгу. Часті взаємодії, що спостерігаються між синтетичними похідними та ключовими залишками, такими як GLU359 та SER280, які є компонентами відомої каталітичної тріади SER-HIS-GLU в ацетилхолінестеразі людини (AChE), додатково підтверджують гіпотезу про те, що ці сполуки можуть мати потужний інгібуючий вплив на AChE шляхом зв'язування з каталітично важливими сайтами.29,61,64
Примітно, що сполука 6 та її попередник 1a продемонстрували найпотужнішу активність проти личинок у біоаналізі, демонструючи найнижчі значення LC₅₀ серед сполук серії. На молекулярному рівні сполука 6 демонструє критичну взаємодію з хлорпірифосом у сайті GLU359, тоді як сполука 1a перекривається з повторно легованим BT7 через водневий зв'язок із SER280. Як GLU359, так і SER280 присутні в оригінальній кристалографічній конформації зв'язування BT7 та є компонентами консервативного каталітичного триплету ацетилхолінестерази (SER–HIS–GLU), що підкреслює функціональне значення цих взаємодій у підтримці інгібуючої активності сполук (рис. 10).
Спостережувана схожість у сайтах зв'язування між похідними BT7 (включаючи нативний та відновлений BT7) та хлорпірифосом, особливо в залишках, критичних для каталітичної активності, переконливо свідчить про спільний механізм інгібування між цими сполуками. Загалом, ці результати підтверджують значний потенціал похідних тіофен-ізохінолінону як високопотужних інгібіторів ацетилхолінестерази завдяки їхнім консервативним та біологічно значущим взаємодіям.
Сильна кореляція між результатами молекулярного докінгу та результатами біоаналізу личинок додатково підтверджує, що ацетилхолінестераза (AChE) та нікотиновий ацетилхоліновий рецептор (nAChR) є основними нейротоксичними мішенями синтезованих похідних тіофен-ізохінолінону. Хоча результати докінгу надають важливу інформацію про спорідненість рецептор-ліганд, слід визнати, що самої енергії зв'язування недостатньо для повного пояснення інсектицидної ефективності in vivo. Різниця в значеннях LC₅₀ між сполуками з подібними характеристиками докінгу може бути зумовлена такими факторами, як метаболічна стабільність, абсорбція, біодоступність та розподіл у комах.⁶⁰,⁶⁴Однак раціональна структурна конструкція, висока спорідненість до рецепторів, змодельована за допомогою комп'ютерного моделювання, та потужна біологічна активність переконливо підтверджують думку про те, що AChE та nAChR є основними медіаторами спостережуваної нейротоксичності.
На завершення, синтезовані тіофен-ізохінолінонові гібриди мають ключові структурні та функціональні елементи, що значною мірою сумісні з відомими нейроактивними інсектицидами. Їхня здатність ефективно зв'язуватися з ацетилхолінестеразою (AChE) та нікотиновими ацетилхоліновими рецепторами (nAChRs) через комплементарні механізми взаємодії підкреслює їхній потенціал як інсектицидів подвійної дії. Цей подвійний механізм не тільки підвищує інсектицидну ефективність, але й забезпечує перспективну стратегію подолання існуючих механізмів резистентності, що робить ці сполуки перспективними кандидатами для розробки засобів боротьби з комарами наступного покоління.
Молекулярно-динамічне (МД) моделювання використовується для перевірки та розширення результатів молекулярного докінгу, забезпечуючи більш реалістичну та залежну від часу оцінку взаємодії ліганд-мішень у фізіологічно реалістичних умовах. Хоча молекулярний докінг може надати цінну попередню інформацію про потенційні позиції зв'язування та спорідненість, це статична модель і не може враховувати гнучкість рецептора, динаміку розчинника або часові коливання молекулярних взаємодій. Тому МД-моделювання є важливим додатковим методом для оцінки стабільності комплексу, стійкості взаємодії та конформаційних змін лігандів та білків з часом.60, 62, 71
Виходячи з їхніх найкращих властивостей зв'язування з ацетилхолінестеразою (AChE) порівняно з нікотиновим ацетилхоліновим рецептором (nAChR), ми обрали батьківську молекулу 1a (з найнижчим значенням LC₅₀) та найактивнішу тіофен-ізохінолінову сполуку 6 для молекулярно-динамічного (MD) моделювання. Метою було оцінити, чи залишається їхня конформація зв'язування в активному центрі AChE стабільною протягом 100 нс моделювання, та порівняти їхню поведінку зв'язування з поведінкою хлорпірифосу та кокристалізованого інгібітора AChE BT7, отриманого за допомогою відскоку.
Молекулярно-динамічне моделювання включало середньоквадратичне відхилення (RMSD) для оцінки загальної стабільності комплексу; середньоквадратичне відхилення флуктуацій (RMSF) для вивчення гнучкості залишків; та аналіз взаємодії ліганд-акцептор для визначення стабільності водневих зв'язків, гідрофобних контактів та іонних взаємодій (Додаткові дані). Хоча значення RMSD та RMSF для всіх лігандів залишалися в стабільному діапазоні, що вказує на відсутність значних конформаційних змін у комплексі AChE-ліганд (Рисунок 12), цих параметрів самих по собі недостатньо для повного пояснення відмінностей у масі зв'язування між сполуками.
Час публікації: 15 грудня 2025 р.