Болестите, пренасяни от комари, остават сериозен глобален проблем за общественото здравеНарастващата резистентност на векторите на болести, като Culex pipiens pallens, към традиционните инсектициди допълнително изостря този проблем. В това проучване е проектирана, синтезирана и оценена серия от нови тиофен-изохинолинонови хибриди като потенциални ларвициди. Сред синтезираните съединения, производни 5f, 6 и 7 демонстрират значителна ларвицидна активност срещу ларвите на Culex pipiens pallens със стойности на LC₅₀ съответно 0,3, 0,1 и 1,85 μg/mL. Забележително е, че всичките дванадесет тиофен-изохинолинонови производни демонстрират значително по-висока токсичност от референтния органофосфатен инсектицид хлорпирифос (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), което потвърждава превъзходната токсичност на тези съединения. Интересното е, че синтетичният междинен продукт 1a (тиофенов полуестер) показва най-висока ефикасност (LC₅₀ = 0,004 μg/mL) и въпреки че все още не е напълно оптимизиран, неговата ефикасност все още надвишава тази на всички крайни производни. Механистичните биологични изследвания разкриха силни симптоми на невротоксичност, което предполага нарушена холинергична функция. Симулациите на молекулярно свързване и молекулярна динамика потвърдиха това наблюдение, разкривайки силни специфични взаимодействия с ацетилхолинестеразата (AChE) и никотиновия ацетилхолинов рецептор (nAChR), което предполага възможен механизъм с двойно действие. Изчисленията на теорията на функционалната плътност (DFT) допълнително потвърдиха благоприятните електронни свойства и реактивност на активните съединения. Структурното разнообразие и постоянно високата ефикасност на тази серия съединения могат да намалят риска от кръстосана резистентност и да улеснят стратегиите за управление на резистентността чрез ротация или комбинация от съединения. Като цяло, тези резултати показват, че тиофен-изохинолиноновите хибриди са обещаващ вариант за разработването на ларвициди от следващо поколение, насочени към неврофизиологични пътища на насекоми вектори.
Комарите са сред най-ефективните вектори на инфекциозни заболявания, разпространявайки широк спектър от опасни патогени и представлявайки значителна заплаха за общественото здраве в световен мащаб. Видове като Culex pipiens, Aedes aegypti и Anopheles gambiae са особено известни с това, че предават вируси, бактерии и паразити, причинявайки милиони инфекции и множество смъртни случаи годишно. Например, Culex pipiens е основен вектор на арбовируси като вируса на Западнонилския енцефалит и вируса на енцефалита в Сейнт Луис, както и на паразитни заболявания като птича малария. Последните изследвания също така показват, че Culex pipiens играе важна роля във вектора и предаването на вредни бактерии като Bacillus cereus и Staphylococcus warwickii, които замърсяват храните и изострят проблемите с общественото здраве. Високата адаптивност, оцеляване и устойчивост на комарите към методите за контрол ги правят трудни за контролиране и представляват постоянна заплаха.
Химическите инсектициди са ключов инструмент в борбата с комарите, особено по време на огнища на болести, пренасяни от комари. Различни класове инсектициди, включително пиретроиди, органофосфати и карбамати, се използват широко за намаляване на популациите на комарите и предаването на болести. Широко разпространената и дългосрочна употреба на тези химикали обаче доведе до сериозни опасения за околната среда и общественото здраве, включително нарушаване на екосистемите, вредни ефекти върху нецелевите видове и бързо развитие на резистентност към инсектициди в популациите на комарите.11, 12, 13, 14Тази резистентност значително намалява ефективността на много традиционни инсектициди, което подчертава неотложната нужда от иновативни химически решения с нови механизми на действие за ефективно противодействие на тези променящи се заплахи.11, 12, 13, 14За да се справят с тези сериозни предизвикателства, изследователите се обръщат към алтернативни стратегии като биоконтрол, генно инженерство и интегрирано управление на векторите (IVM). Тези подходи показват обещание за устойчив, дългосрочен контрол на комарите. Въпреки това, по време на епидемии и извънредни ситуации, химичните методи остават от решаващо значение за бързата реакция.
Изохинолиновите алкалоиди са важни азотсъдържащи хетероциклични съединения, широко разпространени в растителното царство, включително семейства като Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae и Menispermaceae.30 Предишни проучвания потвърдиха, че изохинолиновите алкалоиди притежават разнообразна биологична активност и структурни характеристики, включително инсектицидни, антидиабетни, противотуморни, противогъбични, противовъзпалителни, антибактериални, антипаразитни, антиоксидантни, антивирусни и невропротективни ефекти.
В това проучване стойностите на χ² за всички съединения бяха под критичния праг, а стойностите на p бяха над 0,05. Тези резултати потвърждават надеждността на оценките на LC₅₀ и показват, че вероятностната регресия може ефективно да опише наблюдаваната зависимост доза-отговор. Следователно, стойностите на LC₅₀ и индексите на токсичност (TI), изчислени въз основа на най-активното съединение (1a), са високо надеждни и подходящи за сравняване на токсикологични ефекти.
За да оценим взаимодействията на 12 новосинтезирани тиофен-изохинолинонови производни и техния прекурсор 1a с две ключови невронни мишени на комарите - ацетилхолинестераза (AChE) и никотинов ацетилхолинов рецептор (nAChR) - проведохме молекулярно докинг моделиране. Тези мишени бяха избрани въз основа на невротоксични симптоми, наблюдавани при тестове за смърт на ларви, което показва нарушена невронална сигнализация. Освен това, структурното сходство на тези съединения с органофосфатите и неоникотиноидите допълнително подкрепя предпочитания избор на тези мишени, тъй като органофосфатите и неоникотиноидите упражняват своите токсични ефекти чрез инхибиране на AChE и активиране на nAChR, съответно.
Освен това, няколко съединения (включително 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f и 7) взаимодействат със SER280. SER280 остатъците участват във формирането на кристалните структурни конформации и са запазени в редопираната конформация на BT7. Това разнообразие от режими на взаимодействие подчертава адаптивността на тези съединения в активния център, като SER280 и GLU359 потенциално служат като адаптивни котвени места при условия на докинг. Честите взаимодействия, наблюдавани между синтетични производни и ключови остатъци като GLU359 и SER280, които са компоненти на известната каталитична триада SER-HIS-GLU в човешката ацетилхолинестераза (AChE), допълнително подкрепят хипотезата, че тези съединения могат да упражняват мощни инхибиторни ефекти върху AChE чрез свързване с каталитично важни места.29, 61, 64
Забележително е, че съединение 6 и неговият прекурсор 1a демонстрираха най-силна активност срещу ларви в биологичния анализ, показвайки най-ниските стойности на LC₅₀ сред съединенията в серията. На молекулярно ниво съединение 6 проявява критично взаимодействие с хлорпирифос на мястото GLU359, докато съединение 1a се припокрива с повторно дотирания BT7 чрез водородна връзка към SER280. Както GLU359, така и SER280 присъстват в оригиналната кристалографска свързваща конформация на BT7 и са компоненти на консервативния каталитичен триплет на ацетилхолинестераза (SER–HIS–GLU), което подчертава функционалното значение на тези взаимодействия за поддържане на инхибиторната активност на съединенията (фиг. 10).
Наблюдаваното сходство в местата на свързване между BT7 производните (включително нативния и реконституирания BT7) и хлорпирифос, особено при остатъци, критични за каталитичната активност, силно подсказва за общ механизъм на инхибиране между тези съединения. Като цяло, тези резултати потвърждават значителния потенциал на тиофен-изохинолиноновите производни като високоефективни инхибитори на ацетилхолинестеразата, поради техните запазени и биологично значими взаимодействия.
Силна корелация между резултатите от молекулярния докинг и резултатите от ларвния биоанализ допълнително потвърждава, че ацетилхолинестеразата (AChE) и никотиновият ацетилхолинов рецептор (nAChR) са основните невротоксични мишени на синтезираните тиофен-изохинолинонови производни. Въпреки че резултатите от докинг предоставят важна информация за афинитета рецептор-лиганд, трябва да се признае, че само енергията на свързване е недостатъчна, за да обясни напълно инсектицидната ефикасност in vivo. Разликите в стойностите на LC₅₀ между съединения с подобни характеристики на докинг могат да се дължат на фактори като метаболитна стабилност, абсорбция, бионаличност и разпределение в насекомите.⁶⁰,⁶⁴Въпреки това, рационалният структурен дизайн, високият рецепторен афинитет, симулиран чрез компютърна симулация, и мощната биологична активност силно подкрепят мнението, че AChE и nAChRs са основните медиатори на наблюдаваната невротоксичност.
В заключение, синтезираните тиофен-изохинолинонови хибриди притежават ключови структурни и функционални елементи, до голяма степен съвместими с известни невроактивни инсектициди. Способността им ефективно да се свързват с ацетилхолинестеразни (AChE) и никотинови ацетилхолинови рецептори (nAChRs) чрез допълнителни механизми на взаимодействие подчертава потенциала им като инсектициди с двойна цел. Този двоен механизъм не само повишава инсектицидната ефикасност, но и предоставя обещаваща стратегия за преодоляване на съществуващите механизми на резистентност, което прави тези съединения обещаващи кандидати за разработването на агенти за борба с комарите от следващо поколение.
Молекулярно-динамичните (MD) симулации се използват за валидиране и разширяване на резултатите от молекулярния докинг, осигурявайки по-реалистична и зависима от времето оценка на взаимодействията лиганд-мишена при физиологично реалистични условия. Въпреки че молекулярният докинг може да предостави ценна предварителна информация за потенциалните позиции на свързване и афинитети, той е статичен модел и не може да отчете гъвкавостта на рецептора, динамиката на разтворителя или времевите флуктуации в молекулярните взаимодействия. Следователно, MD симулациите са важен допълнителен метод за оценка на стабилността на комплекса, устойчивостта на взаимодействието и конформационните промени в лигандите и протеините с течение на времето.60, 62, 71
Въз основа на превъзходните им свързващи свойства с ацетилхолинестераза (AChE) в сравнение с никотиновия ацетилхолинов рецептор (nAChR), ние избрахме родителската молекула 1a (с най-ниска LC₅₀ стойност) и най-активното тиофен-изохинолиново съединение 6 за симулации на молекулярна динамика (MD). Целта беше да се оцени дали тяхната свързваща конформация в активния център на AChE остава стабилна в продължение на 100 ns симулация и да се сравни тяхното свързващо поведение с това на хлорпирифос и кокристализирания AChE инхибитор BT7.
Молекулярно-динамичните симулации включваха средноквадратично отклонение (RMSD) за оценка на общата стабилност на комплекса; средноквадратично отклонение на флуктуациите (RMSF) за изследване на гъвкавостта на остатъците; и анализ на взаимодействието лиганд-акцептор за определяне на стабилността на водородните връзки, хидрофобните контакти и йонните взаимодействия (допълнителни данни). Въпреки че стойностите на RMSD и RMSF за всички лиганди останаха в стабилен диапазон, което показва липса на значителни конформационни промени в AChE-лигандния комплекс (Фигура 12), тези параметри сами по себе си са недостатъчни, за да обяснят напълно разликите в свързващата маса между съединенията.
Време на публикуване: 15 декември 2025 г.