Заболевания, передаваемые комарами, остаются серьезной глобальной проблемой общественного здравоохранения.Растущая устойчивость переносчиков болезней, таких как Culex pipiens pallens, к традиционным инсектицидам еще больше усугубляет эту проблему. В данном исследовании была разработана, синтезирована и оценена серия новых гибридов тиофена и изохинолинона в качестве потенциальных ларвицидов. Среди синтезированных соединений производные 5f, 6 и 7 продемонстрировали значительную ларвицидную активность против личинок Culex pipiens pallens со значениями LC₅₀ 0,3, 0,1 и 1,85 мкг/мл соответственно. Примечательно, что все двенадцать производных тиофена и изохинолинона продемонстрировали значительно более высокую токсичность, чем эталонный органофосфатный инсектицид хлорпирифос (LC₅₀ = 293,8 мкг/мл), что подтверждает превосходную токсичность этих соединений. Интересно, что синтетический промежуточный продукт 1a (полуэфир тиофена) продемонстрировал самую высокую активность (LC₅₀ = 0,004 мкг/мл), и, хотя он еще не полностью оптимизирован, его активность все же превосходила активность всех конечных производных. Механистические биологические исследования выявили выраженные симптомы нейротоксичности, указывающие на нарушение холинергической функции. Молекулярный докинг и моделирование молекулярной динамики подтвердили это наблюдение, выявив сильные специфические взаимодействия с ацетилхолинэстеразой (АХЭ) и никотиновым ацетилхолиновым рецептором (нАХР), что предполагает возможный двойной механизм действия. Расчеты методом теории функционала плотности (DFT) дополнительно подтвердили благоприятные электронные свойства и реакционную способность активных соединений. Структурное разнообразие и стабильно высокая активность этой серии соединений могут снизить риск перекрестной резистентности и облегчить стратегии управления резистентностью посредством ротации или комбинирования соединений. В целом, эти результаты показывают, что гибриды тиофена и изохинолинона являются перспективным вариантом для разработки ларвицидов следующего поколения, воздействующих на нейрофизиологические пути насекомых-переносчиков.
Комары являются одними из наиболее эффективных переносчиков инфекционных заболеваний, распространяя широкий спектр опасных патогенов и представляя значительную угрозу для глобального общественного здравоохранения. Такие виды, как Culex pipiens, Aedes aegypti и Anopheles gambiae, особенно известны своей способностью передавать вирусы, бактерии и паразитов, вызывая миллионы инфекций и многочисленные смерти ежегодно. Например, Culex pipiens является основным переносчиком арбовирусов, таких как вирус Западного Нила и вирус энцефалита Сент-Луиса, а также паразитарных заболеваний, таких как птичья малярия. Недавние исследования также показали, что Culex pipiens играет значительную роль в переносе и передаче вредных бактерий, таких как Bacillus cereus и Staphylococcus warwickii, которые загрязняют продукты питания и усугубляют проблемы общественного здравоохранения. Высокая адаптивность, выживаемость и устойчивость комаров к методам борьбы делают их трудно контролируемыми и представляют собой постоянную угрозу.
Химические инсектициды являются ключевым инструментом в борьбе с комарами, особенно во время вспышек заболеваний, переносимых комарами. Различные классы инсектицидов, включая пиретроиды, органофосфаты и карбаматы, широко используются для сокращения численности комаров и передачи заболеваний. Однако широкое и длительное использование этих химических веществ привело к серьезным проблемам для окружающей среды и общественного здравоохранения, включая нарушение экосистем, вредное воздействие на нецелевые виды и быстрое развитие устойчивости к инсектицидам у популяций комаров.11,12,13,14Эта устойчивость значительно снижает эффективность многих традиционных инсектицидов, что подчеркивает острую необходимость в инновационных химических решениях с новыми механизмами действия для эффективного противодействия этим меняющимся угрозам.11,12,13,14Для решения этих серьезных проблем исследователи обращаются к альтернативным стратегиям, таким как биоконтроль, генная инженерия и комплексное управление переносчиками заболеваний (IVM). Эти подходы демонстрируют перспективность для устойчивого и долгосрочного контроля численности комаров. Однако во время эпидемий и чрезвычайных ситуаций химические методы остаются крайне важными для быстрого реагирования.
Изохинолиновые алкалоиды — важные азотсодержащие гетероциклические соединения, широко распространенные в растительном мире, включая такие семейства, как Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae и Menispermaceae.30 Предыдущие исследования подтвердили, что изохинолиновые алкалоиды обладают разнообразной биологической активностью и структурными особенностями, включая инсектицидное, противодиабетическое, противоопухолевое, противогрибковое, противовоспалительное, антибактериальное, противопаразитарное, антиоксидантное, противовирусное и нейропротекторное действие.
В данном исследовании значения χ² для всех соединений были ниже критического порога, а значения p были выше 0,05. Эти результаты подтверждают надежность оценок LC₅₀ и демонстрируют, что вероятностная регрессия может эффективно описывать наблюдаемую зависимость доза-эффект. Следовательно, значения LC₅₀ и индексы токсичности (ТИ), рассчитанные на основе наиболее активного соединения (1a), являются высоконадежными и пригодны для сравнения токсикологических эффектов.
Для оценки взаимодействия 12 недавно синтезированных производных тиофен-изохинолинона и их предшественника 1a с двумя ключевыми нейрональными мишенями комаров — ацетилхолинэстеразой (АХЭ) и никотиновым ацетилхолиновым рецептором (нАХР) — мы провели моделирование молекулярного докинга. Эти мишени были выбраны на основе нейротоксических симптомов, наблюдаемых в экспериментах по гибели личинок, что указывает на нарушение нейрональной сигнализации. Кроме того, структурное сходство этих соединений с органофосфатами и неоникотиноидами дополнительно подтверждает предпочтительный выбор этих мишеней, поскольку органофосфаты и неоникотиноиды оказывают свое токсическое действие, ингибируя АХЭ и активируя нАХР соответственно.
Кроме того, несколько соединений (включая 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f и 7) взаимодействуют с SER280. Остатки SER280 участвуют в формировании конформаций кристаллической структуры и сохраняются в модифицированной конформации BT7. Такое разнообразие способов взаимодействия подчеркивает адаптивность этих соединений в активном центре, при этом SER280 и GLU359 потенциально могут служить адаптивными якорными участками в условиях стыковки. Частые взаимодействия, наблюдаемые между синтетическими производными и ключевыми остатками, такими как GLU359 и SER280, которые являются компонентами известной каталитической триады SER-HIS-GLU в человеческой ацетилхолинэстеразе (АХЭ), дополнительно подтверждают гипотезу о том, что эти соединения могут оказывать сильное ингибирующее действие на АХЭ, связываясь с каталитически важными участками.29,61,64
Примечательно, что соединение 6 и его предшественник 1a продемонстрировали наиболее выраженную активность против личинок в биотесте, показав самые низкие значения LC₅₀ среди соединений серии. На молекулярном уровне соединение 6 демонстрирует критическое взаимодействие с хлорпирифосом в сайте GLU359, в то время как соединение 1a перекрывается с повторно легированным BT7 посредством водородной связи с SER280. И GLU359, и SER280 присутствуют в исходной кристаллографической конформации связывания BT7 и являются компонентами консервативного каталитического триплета ацетилхолинэстеразы (SER–HIS–GLU), что подчеркивает функциональную значимость этих взаимодействий в поддержании ингибирующей активности соединений (рис. 10).
Наблюдаемое сходство сайтов связывания между производными BT7 (включая нативный и реконструированный BT7) и хлорпирифосом, особенно в остатках, критически важных для каталитической активности, убедительно свидетельствует об общем механизме ингибирования этих соединений. В целом, эти результаты подтверждают значительный потенциал производных тиофен-изохинолинона в качестве высокоэффективных ингибиторов ацетилхолинэстеразы благодаря их консервативным и биологически значимым взаимодействиям.
Сильная корреляция между результатами молекулярного докинга и результатами биотестирования личинок дополнительно подтверждает, что ацетилхолинэстераза (АХЭ) и никотиновый ацетилхолиновый рецептор (нАХР) являются основными нейротоксическими мишенями синтезированных производных тиофен-изохинолинона. Хотя результаты докинга предоставляют важную информацию о сродстве рецептор-лиганд, следует признать, что одной лишь энергии связывания недостаточно для полного объяснения инсектицидной эффективности in vivo. Различия в значениях LC₅₀ между соединениями со схожими характеристиками докинга могут быть обусловлены такими факторами, как метаболическая стабильность, абсорбция, биодоступность и распределение в насекомых.⁶⁰,⁶⁴Однако рациональная структурная конструкция, высокое сродство к рецепторам, смоделированное с помощью компьютерного моделирования, и мощная биологическая активность убедительно подтверждают точку зрения, что ацетилхолинэстераза (АХЭ) и никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (нАХР) являются основными медиаторами наблюдаемой нейротоксичности.
В заключение, синтезированные гибриды тиофена и изохинолинона обладают ключевыми структурными и функциональными элементами, в значительной степени совместимыми с известными нейроактивными инсектицидами. Их способность эффективно связываться с ацетилхолинэстеразой (АХЭ) и никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (нАХР) посредством комплементарных механизмов взаимодействия подчеркивает их потенциал в качестве инсектицидов двойного действия. Этот двойной механизм не только повышает инсектицидную эффективность, но и предоставляет многообещающую стратегию для преодоления существующих механизмов резистентности, что делает эти соединения перспективными кандидатами для разработки средств борьбы с комарами следующего поколения.
Молекулярно-динамическое моделирование (МД) используется для проверки и расширения результатов молекулярного докинга, обеспечивая более реалистичную и зависящую от времени оценку взаимодействий лиганд-мишень в физиологически реалистичных условиях. Хотя молекулярный докинг может предоставить ценную предварительную информацию о потенциальных положениях связывания и сродстве, это статическая модель, которая не может учитывать гибкость рецептора, динамику растворителя или временные флуктуации в молекулярных взаимодействиях. Поэтому МД-моделирование является важным дополнительным методом для оценки стабильности комплексов, устойчивости взаимодействия и конформационных изменений лигандов и белков с течением времени.60,62,71
На основе их превосходных связывающих свойств с ацетилхолинэстеразой (АХЭ) по сравнению с никотиновым ацетилхолиновым рецептором (нАХР) мы выбрали исходную молекулу 1a (с наименьшим значением LC₅₀) и наиболее активное тиофен-изохинолиновое соединение 6 для моделирования методом молекулярной динамики (МД). Цель состояла в том, чтобы оценить, остается ли их связывающая конформация в активном центре АХЭ стабильной в течение 100 нс моделирования, и сравнить их связывающее поведение с поведением хлорпирифоса и ребокс-сокристаллизованного ингибитора АХЭ BT7.
Молекулярно-динамические симуляции включали среднеквадратичное отклонение (RMSD) для оценки общей стабильности комплекса; среднеквадратичное отклонение флуктуаций (RMSF) для изучения гибкости остатков; и анализ взаимодействия лиганд-акцептор для определения стабильности водородных связей, гидрофобных контактов и ионных взаимодействий (дополнительные данные). Хотя значения RMSD и RMSF для всех лигандов оставались в стабильном диапазоне, что указывает на отсутствие значительных конформационных изменений в комплексе AChE-лиганд (рисунок 12), одних этих параметров недостаточно для полного объяснения различий в связывающей массе между соединениями.
Дата публикации: 15 декабря 2025 г.