Bolesti koje prenose komarci i dalje su ozbiljan globalni problem javnog zdravljaRastuća otpornost vektora bolesti, kao što je Culex pipiens pallens, na tradicionalne insekticide dodatno pogoršava ovaj problem. U ovoj studiji, niz novih tiofen-izohinolinonskih hibrida je dizajniran, sintetiziran i procijenjen kao potencijalni larvicidi. Među sintetiziranim spojevima, derivati 5f, 6 i 7 pokazali su značajnu larvicidnu aktivnost protiv larvi Culex pipiens pallens sa LC₅₀ vrijednostima od 0,3, 0,1 i 1,85 μg/mL, respektivno. Značajno je da je svih dvanaest derivata tiofen-izohinolina pokazalo značajno veću toksičnost od referentnog organofosfatnog insekticida klorpirifosa (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), što potvrđuje superiorniju toksičnost ovih spojeva. Zanimljivo je da je sintetički 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 potentnost svih konačnih derivata. Mehanističke biološke studije otkrile su snažne simptome neurotoksičnosti, što ukazuje na oštećenu holinergičku funkciju. Molekularno spajanje i simulacije molekularne dinamike potvrdile su ovo zapažanje, otkrivajući jake specifične interakcije s acetilholinesterazom (AChE) i nikotinskim acetilholinskim receptorom (nAChR), što ukazuje na mogući mehanizam dvostrukog djelovanja. Proračuni teorije funkcionalne gustoće (DFT) dodatno su potvrdili povoljna elektronska svojstva i reaktivnost aktivnih spojeva. Strukturna raznolikost i konzistentno visoka potentnost ove serije spojeva mogu smanjiti rizik od unakrsne rezistencije i olakšati strategije upravljanja otpornošću putem rotacije ili kombinacije spojeva. Sveukupno, ovi rezultati ukazuju na to da su tiofen-izokinolinonski hibridi obećavajuća opcija za razvoj larvicida sljedeće generacije usmjerenih na neurofiziološke puteve insekata vektora.
Komarci su među najefikasnijim vektorima zaraznih bolesti, šireći širok spektar 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 milione infekcija i brojne smrtne slučajeve godišnje. Na primjer, Culex pipiens je glavni vektor arbovirusa poput virusa Zapadnog Nila i virusa encefalitisa St. Louis, kao i parazitskih bolesti poput ptičje malarije. Nedavna istraživanja su također pokazala da Culex pipiens igra značajnu ulogu u vektoru i prenošenju štetnih bakterija poput Bacillus cereus i Staphylococcus warwickii, koje kontaminiraju hranu i pogoršavaju probleme javnog zdravlja. Visoka prilagodljivost, preživljavanje i otpornost komaraca na metode suzbijanja čine ih teškim za kontrolu i predstavljaju stalnu prijetnju.
Hemijski insekticidi su ključni alat u kontroli komaraca, posebno tokom epidemija bolesti koje prenose komarci. Različite klase insekticida, uključujući piretroide, organofosfate i karbamate, široko se koriste za smanjenje populacije komaraca i prenosa bolesti. Međutim, široko rasprostranjena i dugotrajna upotreba ovih hemikalija dovela je do ozbiljnih problema za okoliš i javno zdravlje, uključujući poremećaje ekosistema, štetne efekte na neciljane vrste i brzi razvoj otpornosti na insekticide u populacijama komaraca.11, 12, 13, 14Ova otpornost značajno smanjuje efikasnost mnogih tradicionalnih insekticida, što naglašava hitnu potrebu za inovativnim hemijskim rješenjima s novim mehanizmima djelovanja kako bi se efikasno suprotstavili ovim rastućim prijetnjama.11, 12, 13, 14Kako bi se suočili s ovim ozbiljnim izazovima, istraživači se okreću alternativnim strategijama kao što su biokontrola, genetski inženjering i integrirano upravljanje vektorima (IVM). Ovi pristupi pokazuju obećanje za održivu, dugoročnu kontrolu komaraca. Međutim, tokom epidemija i vanrednih situacija, hemijske 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 različite biološke aktivnosti i strukturne karakteristike, uključujući insekticidne, antidijabetičke, antitumorske, antifungalne, protuupalne, antibakterijske, antiparazitske, antioksidativne, antivirusne i neuroprotektivne efekte.
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 efikasno opisati uočeni odnos doze i odgovora. Stoga su vrijednosti LC₅₀ i indeksi toksičnosti (TI) izračunati na osnovu najaktivnijeg spoja (1a) vrlo pouzdani i pogodni za poređenje toksikoloških efekata.
Kako bismo procijenili interakcije 12 novo sintetiziranih derivata tiofen-izokinolinona i njihovog prekursora 1a s dvije ključne neuronske mete komaraca - acetilkolinesterazom (AChE) i nikotinskim acetilkolinskim receptorom (nAChR) - proveli smo modeliranje molekularnog pristajanja. Ove mete su odabrane na osnovu neurotoksičnih simptoma uočenih u testovima larvalne smrti, što ukazuje na oštećenu neuronsku signalizaciju. Nadalje, strukturna sličnost ovih spojeva s organofosfatima i neonikotinoidima dodatno podržava preferirani izbor ovih meta, budući da organofosfati i neonikotinoidi ostvaruju svoje toksične efekte inhibiranjem AChE i aktiviranjem nAChR.
Nadalje, nekoliko spojeva (uključujući 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f i 7) interaguje sa SER280. Ostaci SER280 su uključeni 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 sidrena mjesta u uslovima vezivanja. Česte interakcije uočene između sintetičkih derivata i ključnih ostataka kao što su GLU359 i SER280, koji su komponente poznate katalitičke trijade SER-HIS-GLU u ljudskoj acetilkolinesterazi (AChE), dodatno podržavaju hipotezu da ovi spojevi mogu imati snažne inhibitorne efekte na AChE vezivanjem za katalitički važna mjesta.29, 61, 64
Značajno je da su spoj 6 i njegov prethodnik 1a pokazali najsnažniju aktivnost protiv larvi u biološkom testu, pokazujući najniže LC₅₀ vrijednosti među spojevima u seriji. Na molekularnom nivou, 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 originalnoj kristalografskoj konformaciji vezivanja BT7 i komponente su konzerviranog katalitičkog tripleta acetilholinesteraze (SER–HIS–GLU), što ističe funkcionalni značaj ovih interakcija u održavanju inhibitorne aktivnosti spojeva (Slika 10).
Uočena sličnost u mjestima vezivanja između BT7 derivata (uključujući nativni i rekonstituirani BT7) i klorpirifosa, posebno na ostacima ključnim za katalitičku aktivnost, snažno ukazuje na zajednički mehanizam inhibicije između ovih spojeva. Sveukupno, ovi rezultati potvrđuju značajan potencijal derivata tiofen-izokinolinona kao vrlo potentnih inhibitora acetilkolinesteraze zbog njihovih konzerviranih i biološki relevantnih interakcija.
Snažna korelacija između rezultata molekularnog spajanja i rezultata larvalnih bioloških testova 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 receptor-ligand, treba prepoznati da sama energija vezivanja nije dovoljna da u potpunosti objasni insekticidnu efikasnost in vivo. Razlike u vrijednostima LC₅₀ između spojeva sa sličnim karakteristikama spajanja mogu biti posljedica faktora kao što su metabolička stabilnost, apsorpcija, bioraspoloživost i distribucija kod insekata.⁶⁰,⁶⁴Međutim, racionalni strukturni dizajn, visok afinitet receptora simuliran kompjuterskom simulacijom i snažna biološka aktivnost snažno podržavaju stav da su AChE i nAChR glavni medijatori uočene neurotoksičnosti.
Zaključno, sintetizirani tiofen-izokinolinonski hibridi posjeduju ključne strukturne i funkcionalne elemente koji su uglavnom kompatibilni s poznatim neuroaktivnim insekticidima. Njihova sposobnost efikasnog vezivanja za 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 efikasnost, već i pruža obećavajuću strategiju za prevazilaženje postojećih mehanizama otpornosti, što ove spojeve čini obećavajućim kandidatima za razvoj sredstava za suzbijanje komaraca sljedeće generacije.
Molekularno dinamičke (MD) simulacije se koriste za validaciju i proširenje rezultata molekularnog spajanja, pružajući realističniju i vremenski zavisnu procjenu interakcija ligand-cilj pod fiziološki realnim uslovima. Iako molekularno spajanje može pružiti vrijedne preliminarne informacije o potencijalnim pozicijama vezivanja i afinitetima, to je statički model i ne može uzeti u obzir fleksibilnost receptora, dinamiku rastvarača ili vremenske fluktuacije u molekularnim interakcijama. Stoga su MD simulacije važna komplementarna metoda za procjenu stabilnosti kompleksa, robusnosti interakcija i konformacijskih promjena ligandima i proteinima tokom vremena.60, 62, 71
Na osnovu njihovih superiornijih svojstava vezivanja za acetilholinesterazu (AChE) u poređenju sa nikotinskim acetilholinskim receptorom (nAChR), odabrali smo roditeljski molekul 1a (sa najnižom vrijednošću LC₅₀) i najaktivniji tiofen-izohinolinski spoj 6 za simulacije molekularne dinamike (MD). Cilj je bio procijeniti da li je njihova konformacija vezivanja u aktivnom mjestu AChE ostala stabilna tokom 100 ns simulacije i uporediti njihovo ponašanje vezivanja sa ponašanjem hlorpirifosa 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; i 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 nepostojanje značajnih konformacijskih promjena u kompleksu AChE-ligand (Slika 12), ovi parametri sami po sebi nisu dovoljni da u potpunosti objasne razlike u vezivnoj masi između spojeva.
Vrijeme objave: 15. decembar 2025.