Odu pārnēsātas slimības joprojām ir nopietna sabiedrības veselības problēma visā pasaulē. Slimību pārnēsātāju, piemēram, Culex pipiens pallens, pieaugošā rezistence pret tradicionālajiem insekticīdiem vēl vairāk saasina šo problēmu. Šajā pētījumā tika izstrādāta, sintezēta un novērtēta virkne jaunu tiofēna-izohinolinona hibrīdu kā potenciāli larvicīdi. No sintezētajiem savienojumiem atvasinājumi 5f, 6 un 7 uzrādīja ievērojamu larvicīdu aktivitāti pret Culex pipiens pallens kāpuriem ar LC₅₀ vērtībām attiecīgi 0,3, 0,1 un 1,85 μg/ml. Jāatzīmē, ka visiem divpadsmit tiofēna-izohinolinona atvasinājumiem bija ievērojami augstāka toksicitāte nekā atsauces organofosfāta insekticīdam hlorpirifosam (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), apstiprinot šo savienojumu augstāko toksicitāti. Interesanti, ka sintētiskais starpprodukts 1a (tiofēna pusesteris) uzrādīja visaugstāko iedarbību (LC₅₀ = 0,004 μg/ml), un, lai gan tas vēl nav pilnībā optimizēts, tā iedarbība joprojām pārsniedza visu gala atvasinājumu iedarbību. Mehāniskās bioloģiskās analīzes atklāja spēcīgus neirotoksicitātes simptomus, kas liecina par holīnerģiskās funkcijas traucējumiem. Molekulārā dokošana un molekulārās dinamikas simulācijas apstiprināja šo novērojumu, atklājot spēcīgu specifisku mijiedarbību ar acetilholīnesterāzi (AChE) un nikotīnskābes acetilholīna receptoru (nAChR), kas liecina par iespējamu divkāršas darbības mehānismu. Blīvuma funkcionālās teorijas (DFT) aprēķini vēl vairāk apstiprināja aktīvo savienojumu labvēlīgās elektroniskās īpašības un reaktivitāti. Šīs savienojumu sērijas strukturālā daudzveidība un pastāvīgi augstā iedarbība var samazināt krusteniskās rezistences risku un atvieglot rezistences pārvaldības stratēģijas, izmantojot savienojumu rotāciju vai kombināciju. Kopumā šie rezultāti liecina, ka tiofēna-izohinolinona hibrīdi ir daudzsološa iespēja nākamās paaudzes larvicīdu izstrādei, kas vērsti pret kukaiņu vektoru neirofizioloģiskajiem ceļiem.
Odi ir vieni no visefektīvākajiem infekcijas slimību pārnēsātājiem, izplatot plašu bīstamu patogēnu klāstu un radot ievērojamus draudus sabiedrības veselībai visā pasaulē. Tādas sugas kā Culex pipiens, Aedes aegypti un Anopheles gambiae ir īpaši pazīstamas ar vīrusu, baktēriju un parazītu pārnēsāšanu, izraisot miljoniem infekciju un daudzus nāves gadījumus katru gadu. Piemēram, Culex pipiens ir galvenais arbovīrusu, piemēram, Rietumnīlas vīrusa un Sentluisas encefalīta vīrusa, kā arī parazitāro slimību, piemēram, putnu malārijas, pārnēsātājs. Jaunākie pētījumi arī liecina, ka Culex pipiens spēlē nozīmīgu lomu tādu kaitīgu baktēriju kā Bacillus cereus un Staphylococcus warwickii pārnēsāšanā un pārnešanā, kas piesārņo pārtiku un saasina sabiedrības veselības problēmas. Odu augstā pielāgošanās spēja, izdzīvošanas spēja un izturība pret kontroles metodēm apgrūtina to kontroli un rada pastāvīgus draudus.
Ķīmiskie insekticīdi ir galvenais instruments odu apkarošanā, īpaši odu pārnēsātu slimību uzliesmojumu laikā. Dažādas insekticīdu klases, tostarp piretroīdi, organofosfāti un karbamāti, tiek plaši izmantotas, lai samazinātu odu populācijas un slimību pārnešanu. Tomēr šo ķīmisko vielu plašā un ilgstošā lietošana ir radījusi nopietnas bažas par vidi un sabiedrības veselību, tostarp ekosistēmas traucējumus, kaitīgu ietekmi uz nemērķa sugām un strauju insekticīdu rezistences attīstību odu populācijās.11, 12, 13, 14Šī rezistence ievērojami samazina daudzu tradicionālo insekticīdu efektivitāti, uzsverot steidzamo nepieciešamību pēc inovatīviem ķīmiskiem risinājumiem ar jauniem darbības mehānismiem, lai efektīvi cīnītos pret šiem mainīgajiem draudiem.11, 12, 13, 14Lai risinātu šīs nopietnās problēmas, pētnieki pievēršas alternatīvām stratēģijām, piemēram, biokontrolei, gēnu inženierijai un integrētai vektoru pārvaldībai (IVM). Šīs pieejas ir daudzsološas ilgtspējīgai, ilgtermiņa odu kontrolei. Tomēr epidēmiju un ārkārtas situāciju laikā ķīmiskās metodes joprojām ir izšķirošas ātrai reaģēšanai.
Izohinolīna alkaloīdi ir nozīmīgi slāpekli saturoši heterocikliski savienojumi, kas plaši izplatīti augu valstībā, tostarp tādās dzimtās kā Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae un Menispermaceae.30 Iepriekšējie pētījumi ir apstiprinājuši, ka izohinolīna alkaloīdiem piemīt dažādas bioloģiskās aktivitātes un strukturālas īpašības, tostarp insekticīda, pretdiabēta, pretvēža, pretsēnīšu, pretiekaisuma, antibakteriāla, pretparazitāra, antioksidanta, pretvīrusu un neiroprotektīva iedarbība.
Šajā pētījumā visu savienojumu χ² vērtības bija zem kritiskā sliekšņa, un p vērtības bija virs 0,05. Šie rezultāti apstiprina LC₅₀ aprēķinu ticamību un parāda, ka varbūtības regresija var efektīvi aprakstīt novēroto devas-atbildes reakcijas attiecību. Tādēļ LC₅₀ vērtības un toksicitātes indeksi (TI), kas aprēķināti, pamatojoties uz aktīvāko savienojumu (1a), ir ļoti ticami un piemēroti toksikoloģiskās iedarbības salīdzināšanai.
Lai novērtētu 12 jaunantsetizētu tiofēna-izohinolinona atvasinājumu un to prekursora 1a mijiedarbību ar diviem galvenajiem odu neironu mērķiem — acetilholīnesterāzi (AChE) un nikotīnisko acetilholīna receptoru (nAChR) —, mēs veicām molekulāro dokošanas modelēšanu. Šie mērķi tika izvēlēti, pamatojoties uz neirotoksiskiem simptomiem, kas novēroti kāpuru nāves testos, norādot uz traucētu neironu signalizāciju. Turklāt šo savienojumu strukturālā līdzība ar organofosfātiem un neonikotinoīdiem vēl vairāk apstiprina šo mērķu vēlamo izvēli, jo organofosfāti un neonikotinoīdi savu toksisko iedarbību īsteno, attiecīgi inhibējot AChE un aktivizējot nAChR.
Turklāt vairāki savienojumi (tostarp 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f un 7) mijiedarbojas ar SER280. SER280 atlikumi ir iesaistīti kristāla struktūras konformāciju veidošanā un ir saglabājušies BT7 redopētajā konformācijā. Šī mijiedarbības veidu daudzveidība uzsver šo savienojumu pielāgojamību aktīvajā centrā, un SER280 un GLU359 potenciāli kalpo kā adaptīvas enkurvietas dokošanas apstākļos. Biežā mijiedarbība, kas novērota starp sintētiskiem atvasinājumiem un galvenajiem atlikumiem, piemēram, GLU359 un SER280, kas ir zināmās SER-HIS-GLU katalītiskās triādes komponenti cilvēka acetilholīnesterāzē (AChE), vēl vairāk apstiprina hipotēzi, ka šie savienojumi var spēcīgi inhibēt AChE, saistoties ar katalītiski svarīgām vietām.29, 61, 64
Jāatzīmē, ka savienojums 6 un tā prekursors 1a biotestēšanā uzrādīja visspēcīgāko aktivitāti pret kāpuriem, uzrādot zemākās LC₅₀ vērtības starp visiem sērijas savienojumiem. Molekulārā līmenī savienojums 6 uzrāda kritisku mijiedarbību ar hlorpirifosu GLU359 vietā, savukārt savienojums 1a pārklājas ar atkārtoti leģētu BT7, izmantojot ūdeņraža saiti ar SER280. Gan GLU359, gan SER280 atrodas BT7 sākotnējā kristalogrāfiskajā saistīšanās konformācijā un ir acetilholīnesterāzes konservētā katalītiskā tripleta (SER–HIS–GLU) komponenti, uzsverot šo mijiedarbību funkcionālo nozīmi savienojumu inhibējošās aktivitātes saglabāšanā (10. att.).
Novērotā saistīšanās vietu līdzība starp BT7 atvasinājumiem (tostarp dabisko un rekonstituēto BT7) un hlorpirifosu, īpaši pie atlikumiem, kas ir kritiski svarīgi katalītiskai aktivitātei, spēcīgi norāda uz kopīgu inhibīcijas mehānismu starp šiem savienojumiem. Kopumā šie rezultāti apstiprina tiofēnizohinolinona atvasinājumu ievērojamo potenciālu kā ļoti spēcīgiem acetilholīnesterāzes inhibitoriem, pateicoties to konservatīvajai un bioloģiski nozīmīgajai mijiedarbībai.
Spēcīga korelācija starp molekulārās dokošanas rezultātiem un kāpuru bioanalīzes rezultātiem vēl vairāk apstiprina, ka acetilholīnesterāze (AChE) un nikotīna acetilholīna receptors (nAChR) ir sintezēto tiofēnizohinolinona atvasinājumu galvenie neirotoksiskie mērķi. Lai gan dokošanas rezultāti sniedz svarīgu informāciju par receptoru-ligandu afinitāti, jāatzīst, ka saistīšanās enerģija vien nav pietiekama, lai pilnībā izskaidrotu insekticīdu efektivitāti in vivo. LC₅₀ vērtību atšķirības starp savienojumiem ar līdzīgām dokošanas īpašībām var būt saistītas ar tādiem faktoriem kā vielmaiņas stabilitāte, absorbcija, biopieejamība un izplatība kukaiņos.⁶⁰,⁶⁴Tomēr racionālais strukturālais dizains, datorsimulācijā simulētā augstā receptoru afinitāte un spēcīgā bioloģiskā aktivitāte stingri apstiprina viedokli, ka AChE un nAChR ir galvenie novērotās neirotoksicitātes mediatori.
Noslēgumā jāsaka, ka sintezētajiem tiofēna-izohinolinona hibrīdiem piemīt galvenie strukturālie un funkcionālie elementi, kas lielā mērā ir saderīgi ar zināmiem neiroaktīviem insekticīdiem. To spēja efektīvi saistīties ar acetilholīnesterāzes (AChE) un nikotīna acetilholīna receptoriem (nAChR), izmantojot komplementārus mijiedarbības mehānismus, uzsver to potenciālu kā divējāda mērķa insekticīdiem. Šis divējāds mehānisms ne tikai uzlabo insekticīdu efektivitāti, bet arī nodrošina daudzsološu stratēģiju esošo rezistences mehānismu pārvarēšanai, padarot šos savienojumus par daudzsološiem kandidātiem nākamās paaudzes odu apkarošanas līdzekļu izstrādei.
Molekulārās dinamikas (MD) simulācijas tiek izmantotas, lai validētu un paplašinātu molekulārās dokošanas rezultātus, nodrošinot reālistiskāku un no laika atkarīgāku ligandu-mērķu mijiedarbības novērtējumu fizioloģiski reālistiskos apstākļos. Lai gan molekulārā dokošana var sniegt vērtīgu sākotnējo informāciju par potenciālajām saistīšanās pozīcijām un afinitātēm, tas ir statisks modelis un nevar ņemt vērā receptoru elastību, šķīdinātāja dinamiku vai molekulāro mijiedarbību laika svārstības. Tāpēc MD simulācijas ir svarīga papildmetode kompleksa stabilitātes, mijiedarbības robustuma un ligandu un olbaltumvielu konformācijas izmaiņu novērtēšanai laika gaitā.60, 62, 71
Pamatojoties uz to pārākajām saistīšanās īpašībām ar acetilholīnesterāzi (AChE) salīdzinājumā ar nikotīna acetilholīna receptoru (nAChR), molekulārās dinamikas (MD) simulācijām mēs izvēlējāmies pamatmolekulu 1a (ar zemāko LC₅₀ vērtību) un aktīvāko tiofēna-izohinolīna savienojumu 6. Mērķis bija novērtēt, vai to saistīšanās konformācija AChE aktīvajā centrā saglabājās stabila 100 ns simulācijas laikā, un salīdzināt to saistīšanās uzvedību ar hlorpirifosa un atsitiena kokristalizētā AChE inhibitora BT7 saistīšanās uzvedību.
Molekulārās dinamikas simulācijas ietvēra vidējo kvadrātisko novirzi (RMSD), lai novērtētu kopējo kompleksa stabilitāti; vidējo kvadrātisko svārstību novirzi (RMSF), lai pētītu atlikumu elastību; un ligandu-akceptoru mijiedarbības analīzi, lai noteiktu ūdeņraža saišu, hidrofobo kontaktu un jonu mijiedarbību stabilitāti (Papildu dati). Lai gan visu ligandu RMSD un RMSF vērtības saglabājās stabilā diapazonā, norādot uz būtiskām konformācijas izmaiņām AChE-ligandu kompleksā (12. attēls), šie parametri vien nav pietiekami, lai pilnībā izskaidrotu saistīšanās masas atšķirības starp savienojumiem.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 15. decembris