Οι ασθένειες που μεταδίδονται από κουνούπια παραμένουν ένα σοβαρό παγκόσμιο πρόβλημα δημόσιας υγείαςΗ αυξανόμενη αντοχή φορέων ασθενειών, όπως το Culex pipiens pallens, στα παραδοσιακά εντομοκτόνα επιδεινώνει περαιτέρω αυτό το πρόβλημα. Σε αυτή τη μελέτη, σχεδιάστηκε, συντέθηκε και αξιολογήθηκε μια σειρά από νέα υβρίδια θειοφαινίου-ισοκινολινόνης ως πιθανά προνυμφοκτόνα. Μεταξύ των συντεθειμένων ενώσεων, τα παράγωγα 5f, 6 και 7 επέδειξαν σημαντική προνυμφοκτόνο δράση έναντι των προνυμφών Culex pipiens pallens με τιμές LC₅₀ 0,3, 0,1 και 1,85 μg/mL, αντίστοιχα. Αξίζει να σημειωθεί ότι και τα δώδεκα παράγωγα θειοφαινίου-ισοκινολινόνης επέδειξαν σημαντικά υψηλότερη τοξικότητα από το οργανοφωσφορικό εντομοκτόνο αναφοράς chlorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), επιβεβαιώνοντας την ανώτερη τοξικότητα αυτών των ενώσεων. Είναι ενδιαφέρον ότι το συνθετικό ενδιάμεσο 1a (ένας ημιεστέρας θειοφαινίου) εμφάνισε την υψηλότερη ισχύ (LC₅₀ = 0,004 μg/mL) και, παρόλο που δεν έχει ακόμη βελτιστοποιηθεί πλήρως, η ισχύς του εξακολουθούσε να υπερβαίνει αυτή όλων των τελικών παραγώγων. Μηχανιστικές βιολογικές μελέτες αποκάλυψαν ισχυρά συμπτώματα νευροτοξικότητας, υποδηλώνοντας μειωμένη χολινεργική λειτουργία. Οι προσομοιώσεις μοριακής σύνδεσης και μοριακής δυναμικής επιβεβαίωσαν αυτήν την παρατήρηση, αποκαλύπτοντας ισχυρές ειδικές αλληλεπιδράσεις με την ακετυλοχολινεστεράση (AChE) και τον νικοτινικό υποδοχέα ακετυλοχολίνης (nAChR), υποδηλώνοντας έναν πιθανό μηχανισμό διπλής δράσης. Οι υπολογισμοί της θεωρίας συναρτήσεων πυκνότητας (DFT) επιβεβαίωσαν περαιτέρω τις ευνοϊκές ηλεκτρονικές ιδιότητες και αντιδραστικότητα των δραστικών ενώσεων. Η δομική ποικιλομορφία και η σταθερά υψηλή ισχύς αυτής της σειράς ενώσεων μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο διασταυρούμενης αντοχής και να διευκολύνουν τις στρατηγικές διαχείρισης της αντοχής μέσω εναλλαγής ή συνδυασμού ενώσεων. Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα υβρίδια θειοφαινίου-ισοκινολινόνης αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για την ανάπτυξη προνυμφοκτόνων επόμενης γενιάς που στοχεύουν νευροφυσιολογικές οδούς εντόμων φορέων.
Τα κουνούπια είναι από τους πιο αποτελεσματικούς φορείς μολυσματικών ασθενειών, διαδίδοντας ένα ευρύ φάσμα επικίνδυνων παθογόνων και αποτελώντας σημαντική απειλή για την παγκόσμια δημόσια υγεία. Είδη όπως τα Culex pipiens, Aedes aegypti και Anopheles gambiae είναι ιδιαίτερα γνωστά για τη μετάδοση ιών, βακτηρίων και παρασίτων, προκαλώντας εκατομμύρια λοιμώξεις και πολυάριθμους θανάτους ετησίως. Για παράδειγμα, το Culex pipiens είναι ένας σημαντικός φορέας αρμποϊών όπως ο ιός του Δυτικού Νείλου και ο ιός της εγκεφαλίτιδας του Αγίου Λουδοβίκου, καθώς και παρασιτικών ασθενειών όπως η ελονοσία των πτηνών. Πρόσφατη έρευνα έχει επίσης δείξει ότι το Culex pipiens παίζει σημαντικό ρόλο στη μεταφορά και μετάδοση επιβλαβών βακτηρίων όπως ο Bacillus cereus και ο Staphylococcus warwickii, τα οποία μολύνουν τα τρόφιμα και επιδεινώνουν τα προβλήματα δημόσιας υγείας. Η υψηλή προσαρμοστικότητα, η ικανότητα επιβίωσης και η αντοχή των κουνουπιών στις μεθόδους ελέγχου καθιστούν δύσκολο τον έλεγχό τους και αποτελούν μια μόνιμη απειλή.
Τα χημικά εντομοκτόνα αποτελούν βασικό εργαλείο στον έλεγχο των κουνουπιών, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια επιδημιών ασθενειών που μεταδίδονται από τα κουνούπια. Διάφορες κατηγορίες εντομοκτόνων, συμπεριλαμβανομένων των πυρεθροειδών, των οργανοφωσφορικών και των καρβαμιδικών, χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μείωση των πληθυσμών των κουνουπιών και της μετάδοσης ασθενειών. Ωστόσο, η εκτεταμένη και μακροχρόνια χρήση αυτών των χημικών ουσιών έχει οδηγήσει σε σοβαρές περιβαλλοντικές και δημόσιες ανησυχίες, συμπεριλαμβανομένης της διαταραχής του οικοσυστήματος, των επιβλαβών επιπτώσεων σε μη στοχευόμενα είδη και της ταχείας ανάπτυξης αντοχής στα εντομοκτόνα στους πληθυσμούς των κουνουπιών.11,12,13,14Αυτή η ανθεκτικότητα μειώνει σημαντικά την αποτελεσματικότητα πολλών παραδοσιακών εντομοκτόνων, υπογραμμίζοντας την επείγουσα ανάγκη για καινοτόμες χημικές λύσεις με νέους μηχανισμούς δράσης για την αποτελεσματική αντιμετώπιση αυτών των εξελισσόμενων απειλών.11,12,13,14Για την αντιμετώπιση αυτών των σοβαρών προκλήσεων, οι ερευνητές στρέφονται σε εναλλακτικές στρατηγικές όπως ο βιολογικός έλεγχος, η γενετική μηχανική και η ολοκληρωμένη διαχείριση φορέων (IVM). Αυτές οι προσεγγίσεις δείχνουν πολλά υποσχόμενα για βιώσιμο, μακροπρόθεσμο έλεγχο των κουνουπιών. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια επιδημιών και καταστάσεων έκτακτης ανάγκης, οι χημικές μέθοδοι παραμένουν κρίσιμες για την ταχεία αντίδραση.
Τα αλκαλοειδή ισοκινολίνης είναι σημαντικές ετεροκυκλικές ενώσεις που περιέχουν άζωτο και είναι ευρέως διαδεδομένες στο φυτικό βασίλειο, συμπεριλαμβανομένων οικογενειών όπως οι Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae και Menispermaceae.30 Προηγούμενες μελέτες έχουν επιβεβαιώσει ότι τα αλκαλοειδή ισοκινολίνης διαθέτουν ποικίλες βιολογικές δράσεις και δομικά χαρακτηριστικά, όπως εντομοκτόνες, αντιδιαβητικές, αντικαρκινικές, αντιμυκητιακές, αντιφλεγμονώδεις, αντιβακτηριακές, αντιπαρασιτικές, αντιοξειδωτικές, αντιιικές και νευροπροστατευτικές επιδράσεις.
Σε αυτήν τη μελέτη, οι τιμές χ² για όλες τις ενώσεις ήταν κάτω από το κρίσιμο όριο και οι τιμές p ήταν πάνω από 0,05. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αξιοπιστία των εκτιμήσεων LC₅₀ και καταδεικνύουν ότι η πιθανοτική παλινδρόμηση μπορεί να περιγράψει αποτελεσματικά την παρατηρούμενη σχέση δόσης-απόκρισης. Επομένως, οι τιμές LC₅₀ και οι δείκτες τοξικότητας (TIs) που υπολογίζονται με βάση την πιο δραστική ένωση (1a) είναι εξαιρετικά αξιόπιστες και κατάλληλες για τη σύγκριση τοξικολογικών επιδράσεων.
Για να αξιολογήσουμε τις αλληλεπιδράσεις 12 νεοσυντιθέμενων παραγώγων θειοφαινίου-ισοκινολινόνης και του προδρόμου τους 1a με δύο βασικούς νευρωνικούς στόχους των κουνουπιών - την ακετυλοχολινεστεράση (AChE) και τον νικοτινικό υποδοχέα ακετυλοχολίνης (nAChR) - πραγματοποιήσαμε μοριακή μοντελοποίηση πρόσδεσης. Αυτοί οι στόχοι επιλέχθηκαν με βάση τα νευροτοξικά συμπτώματα που παρατηρήθηκαν σε δοκιμασίες θανάτου προνυμφών, υποδεικνύοντας μειωμένη νευρωνική σηματοδότηση. Επιπλέον, η δομική ομοιότητα αυτών των ενώσεων με τα οργανοφωσφορικά και τα νεονικοτινοειδή υποστηρίζει περαιτέρω την προτιμώμενη επιλογή αυτών των στόχων, καθώς τα οργανοφωσφορικά και τα νεονικοτινοειδή ασκούν τις τοξικές τους επιδράσεις αναστέλλοντας την AChE και ενεργοποιώντας την nAChR, αντίστοιχα.
Επιπλέον, αρκετές ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων των 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f και 7) αλληλεπιδρούν με την SER280. Τα υπολείμματα SER280 εμπλέκονται στη διαμόρφωση των διαμορφώσεων της κρυσταλλικής δομής και διατηρούνται στην αναδιαμορφωμένη διαμόρφωση του BT7. Αυτή η ποικιλομορφία των τρόπων αλληλεπίδρασης υπογραμμίζει την προσαρμοστικότητα αυτών των ενώσεων στην ενεργό θέση, με την SER280 και την GLU359 να χρησιμεύουν δυνητικά ως προσαρμοστικές θέσεις αγκύρωσης υπό συνθήκες πρόσδεσης. Οι συχνές αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται μεταξύ συνθετικών παραγώγων και βασικών υπολειμμάτων όπως η GLU359 και η SER280, τα οποία είναι συστατικά της γνωστής καταλυτικής τριάδας SER-HIS-GLU στην ανθρώπινη ακετυλοχολινεστεράση (AChE), υποστηρίζουν περαιτέρω την υπόθεση ότι αυτές οι ενώσεις μπορεί να ασκούν ισχυρές ανασταλτικές επιδράσεις στην AChE συνδεόμενες με καταλυτικά σημαντικές θέσεις.29,61,64
Αξιοσημείωτα, η ένωση 6 και ο πρόδρομός της 1a επέδειξαν την πιο ισχυρή δράση έναντι των προνυμφών στη βιοδοκιμασία, εμφανίζοντας τις χαμηλότερες τιμές LC₅₀ μεταξύ των ενώσεων της σειράς. Σε μοριακό επίπεδο, η ένωση 6 παρουσιάζει μια κρίσιμη αλληλεπίδραση με το chlorpyrifos στη θέση GLU359, ενώ η ένωση 1a επικαλύπτεται με το επαναντοπαρισμένο BT7 μέσω δεσμού υδρογόνου με το SER280. Τόσο η GLU359 όσο και η SER280 υπάρχουν στην αρχική κρυσταλλογραφική διαμόρφωση σύνδεσης του BT7 και είναι συστατικά της διατηρημένης καταλυτικής τριπλέτας της ακετυλοχολινεστεράσης (SER–HIS–GLU), υπογραμμίζοντας τη λειτουργική σημασία αυτών των αλληλεπιδράσεων στη διατήρηση της ανασταλτικής δράσης των ενώσεων (Εικ. 10).
Η παρατηρούμενη ομοιότητα στις θέσεις σύνδεσης μεταξύ των παραγώγων BT7 (συμπεριλαμβανομένου του φυσικού και του ανασυσταμένου BT7) και του chlorpyrifos, ιδιαίτερα σε υπολείμματα κρίσιμα για την καταλυτική δράση, υποδηλώνει έντονα έναν κοινό μηχανισμό αναστολής μεταξύ αυτών των ενώσεων. Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη σημαντική δυνατότητα των παραγώγων θειοφαινίου-ισοκινολινόνης ως εξαιρετικά ισχυρών αναστολέων της ακετυλοχολινεστεράσης λόγω των διατηρημένων και βιολογικά σχετικών αλληλεπιδράσεών τους.
Μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων της μοριακής πρόσδεσης και των αποτελεσμάτων της προνυμφικής βιοδοκιμασίας επιβεβαιώνει περαιτέρω ότι η ακετυλοχολινεστεράση (AChE) και ο νικοτινικός υποδοχέας ακετυλοχολίνης (nAChR) είναι οι κύριοι νευροτοξικοί στόχοι των συνθετικών παραγώγων θειοφαινίου-ισοκινολινόνης. Αν και τα αποτελέσματα της πρόσδεσης παρέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη συγγένεια υποδοχέα-συνδέτη, θα πρέπει να αναγνωριστεί ότι η ενέργεια σύνδεσης από μόνη της δεν επαρκεί για να εξηγήσει πλήρως την εντομοκτόνο αποτελεσματικότητα in vivo. Οι διαφορές στις τιμές LC₅₀ μεταξύ ενώσεων με παρόμοια χαρακτηριστικά πρόσδεσης μπορεί να οφείλονται σε παράγοντες όπως η μεταβολική σταθερότητα, η απορρόφηση, η βιοδιαθεσιμότητα και η κατανομή στα έντομα.⁶⁰,⁶⁴Ωστόσο, ο ορθολογικός δομικός σχεδιασμός, η υψηλή συγγένεια υποδοχέα που προσομοιώνεται με προσομοίωση υπολογιστή και η ισχυρή βιολογική δράση υποστηρίζουν έντονα την άποψη ότι οι AChE και nAChRs είναι οι κύριοι μεσολαβητές της παρατηρούμενης νευροτοξικότητας.
Συμπερασματικά, τα συνθετικά υβρίδια θειοφαινίου-ισοκινολινόνης διαθέτουν βασικά δομικά και λειτουργικά στοιχεία που είναι σε μεγάλο βαθμό συμβατά με γνωστά νευροδραστικά εντομοκτόνα. Η ικανότητά τους να συνδέονται αποτελεσματικά με την ακετυλοχολινεστεράση (AChE) και τους νικοτινικούς υποδοχείς ακετυλοχολίνης (nAChRs) μέσω συμπληρωματικών μηχανισμών αλληλεπίδρασης υπογραμμίζει τις δυνατότητές τους ως εντομοκτόνα διπλού στόχου. Αυτός ο διπλός μηχανισμός όχι μόνο ενισχύει την εντομοκτόνο αποτελεσματικότητα, αλλά παρέχει επίσης μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την υπερνίκηση των υφιστάμενων μηχανισμών αντοχής, καθιστώντας αυτές τις ενώσεις πολλά υποσχόμενες υποψήφιες για την ανάπτυξη παραγόντων ελέγχου κουνουπιών επόμενης γενιάς.
Οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) χρησιμοποιούνται για την επικύρωση και την επέκταση των αποτελεσμάτων μοριακής σύνδεσης, παρέχοντας μια πιο ρεαλιστική και χρονικά εξαρτώμενη αξιολόγηση των αλληλεπιδράσεων υποκαταστάτη-στόχου υπό φυσιολογικά ρεαλιστικές συνθήκες. Αν και η μοριακή σύνδεση μπορεί να παρέχει πολύτιμες προκαταρκτικές πληροφορίες σχετικά με πιθανές θέσεις σύνδεσης και συγγένειες, είναι ένα στατικό μοντέλο και δεν μπορεί να λάβει υπόψη την ευελιξία του υποδοχέα, τη δυναμική του διαλύτη ή τις χρονικές διακυμάνσεις στις μοριακές αλληλεπιδράσεις. Επομένως, οι προσομοιώσεις MD αποτελούν μια σημαντική συμπληρωματική μέθοδο για την αξιολόγηση της σταθερότητας των σύνθετων μιγμάτων, της ανθεκτικότητας των αλληλεπιδράσεων και των διαμορφωτικών αλλαγών σε υποκαταστάτες και πρωτεΐνες με την πάροδο του χρόνου.60,62,71
Με βάση τις ανώτερες ιδιότητες σύνδεσής τους με την ακετυλοχολινεστεράση (AChE) σε σύγκριση με τον νικοτινικό υποδοχέα ακετυλοχολίνης (nAChR), επιλέξαμε το γονικό μόριο 1a (με τη χαμηλότερη τιμή LC₅₀) και την πιο δραστική ένωση θειοφαινίου-ισοκινολίνης 6 για προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD). Στόχος ήταν να αξιολογηθεί εάν η διαμόρφωση σύνδεσής τους στην ενεργό θέση της AChE παρέμεινε σταθερή για 100 ns προσομοίωσης και να συγκριθεί η συμπεριφορά σύνδεσής τους με αυτή του chlorpyrifos και του ανακλώμενου συνκρυσταλλωμένου αναστολέα AChE BT7.
Οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής περιελάμβαναν μέση τετραγωνική απόκλιση (RMSD) για την αξιολόγηση της συνολικής σταθερότητας του συμπλόκου, μέση τετραγωνική απόκλιση των διακυμάνσεων (RMSF) για τη μελέτη της ευκαμψίας του υπολείμματος και ανάλυση αλληλεπίδρασης υποκαταστάτη-δέκτη για τον προσδιορισμό της σταθερότητας των δεσμών υδρογόνου, των υδρόφοβων επαφών και των ιοντικών αλληλεπιδράσεων (Συμπληρωματικά Δεδομένα). Αν και οι τιμές RMSD και RMSF για όλους τους υποκαταστάτες παρέμειναν εντός σταθερού εύρους, υποδεικνύοντας ότι δεν υπάρχουν σημαντικές αλλαγές στη διαμόρφωση του συμπλόκου AChE-υποκαταστάτη (Σχήμα 12), αυτές οι παράμετροι από μόνες τους δεν επαρκούν για να εξηγήσουν πλήρως τις διαφορές στη μάζα σύνδεσης μεταξύ των ενώσεων.
Ώρα δημοσίευσης: 15 Δεκεμβρίου 2025