Hyttysten levittämät taudit ovat edelleen vakava maailmanlaajuinen kansanterveysongelmaTautivektorien, kuten Culex pipiens pallensin, kasvava vastustuskyky perinteisille hyönteismyrkkyille pahentaa tätä ongelmaa entisestään. Tässä tutkimuksessa suunniteltiin, syntetisoitiin ja arvioitiin sarja uusia tiofeeni-isokinolinoni-hybridejä potentiaalisiksi toukkamyrkkyiksi. Syntetisoiduista yhdisteistä johdannaiset 5f, 6 ja 7 osoittivat merkittävää toukkamyrkkyvaikutusta Culex pipiens pallens -toukkia vastaan LC₅₀-arvoilla 0,3, 0,1 ja 1,85 μg/ml. Huomionarvoista oli, että kaikki kaksitoista tiofeeni-isokinolinoni-johdannaista osoittivat merkittävästi suurempaa myrkyllisyyttä kuin referenssiorganofosfaattihyönteismyrkky klooripyrifossi (LC₅₀ = 293,8 μg/ml), mikä vahvistaa näiden yhdisteiden ylivoimaisen myrkyllisyyden. Mielenkiintoista on, että synteettinen välituote 1a (tiofeenin puoliesteri) osoitti suurinta tehoa (LC₅₀ = 0,004 μg/ml), ja vaikka sitä ei ole vielä täysin optimoitu, sen teho ylitti silti kaikkien lopullisten johdannaisten tehon. Mekanistiset biologiset tutkimukset paljastivat voimakkaita neurotoksisuuden oireita, jotka viittaavat heikentyneeseen kolinergiseen toimintaan. Molekyylitelakointi ja molekyylidynamiikan simulaatiot vahvistivat tämän havainnon paljastaen voimakkaita spesifisiä vuorovaikutuksia asetyylikoliiniesteraasin (AChE) ja nikotiiniasetyylikoliinireseptorin (nAChR) kanssa, mikä viittaa mahdolliseen kaksoisvaikutteiseen mekanismiin. Tiheysfunktionaaliteorian (DFT) laskelmat vahvistivat edelleen aktiivisten yhdisteiden suotuisat elektroniset ominaisuudet ja reaktiivisuuden. Tämän yhdistesarjan rakenteellinen monimuotoisuus ja tasaisen korkea teho voivat vähentää ristiresistenssin riskiä ja helpottaa resistenssin hallintastrategioita yhdisteiden rotaation tai yhdistämisen avulla. Kaiken kaikkiaan nämä tulokset osoittavat, että tiofeeni-isokinolinoni-hybridit ovat lupaava vaihtoehto seuraavan sukupolven toukkamyrkkyjen kehittämiselle, jotka kohdistuvat hyönteisvektorien neurofysiologisiin reitteihin.
Hyttyset ovat tehokkaimpia tartuntatautien levittäjiä, sillä ne levittävät monenlaisia vaarallisia taudinaiheuttajia ja aiheuttavat merkittävän uhan kansanterveydelle maailmanlaajuisesti. Lajit, kuten Culex pipiens, Aedes aegypti ja Anopheles gambiae, tunnetaan erityisesti virusten, bakteerien ja loisten levittäjinä, aiheuttaen miljoonia infektioita ja lukuisia kuolemia vuosittain. Esimerkiksi Culex pipiens on merkittävä arbovirusten, kuten Länsi-Niilin viruksen ja St. Louisin enkefaliittiviruksen, sekä loistautien, kuten lintumalarian, levittäjä. Viimeaikaiset tutkimukset ovat myös osoittaneet, että Culex pipiensilla on merkittävä rooli haitallisten bakteerien, kuten Bacillus cereuksen ja Staphylococcus warwickiin, levittämisessä ja leviämisessä, jotka saastuttavat elintarvikkeita ja pahentavat kansanterveysongelmia. Hyttysten korkea sopeutumiskyky, selviytymiskyky ja vastustuskyky torjuntamenetelmille tekevät niistä vaikeasti torjuttavia ja aiheuttavat pysyvän uhan.
Kemialliset hyönteismyrkyt ovat keskeinen työkalu hyttysten torjunnassa, erityisesti hyttysten levittämien tautiepidemioiden aikana. Erilaisia hyönteismyrkkyluokkia, kuten pyretroideja, organofosfaatteja ja karbamaatteja, käytetään laajalti hyttyspopulaatioiden ja tautien leviämisen vähentämiseksi. Näiden kemikaalien laajalle levinnyt ja pitkäaikainen käyttö on kuitenkin johtanut vakaviin ympäristö- ja kansanterveysongelmiin, kuten ekosysteemien häiriintymiseen, haitallisiin vaikutuksiin muihin kuin kohdelajeihin ja hyönteismyrkkyresistenssin nopeaan kehittymiseen hyttyspopulaatioissa.11, 12, 13, 14Tämä resistenssi vähentää merkittävästi monien perinteisten hyönteismyrkkyjen tehokkuutta, mikä korostaa kiireellistä tarvetta innovatiivisille kemiallisille ratkaisuille, joilla on uusia vaikutusmekanismeja näiden kehittyvien uhkien tehokkaaksi torjumiseksi.11, 12, 13, 14Näiden vakavien haasteiden ratkaisemiseksi tutkijat ovat kääntymässä vaihtoehtoisten strategioiden, kuten biotorjunnan, geenitekniikan ja integroidun vektorien hallinnan (IVM), puoleen. Nämä lähestymistavat osoittavat lupaavia mahdollisuuksia kestävään ja pitkäaikaiseen hyttysten torjuntaan. Epidemioiden ja hätätilanteiden aikana kemialliset menetelmät ovat kuitenkin edelleen ratkaisevan tärkeitä nopean toiminnan kannalta.
Isokinoliinialkaloidit ovat tärkeitä typpeä sisältäviä heterosyklisiä yhdisteitä, jotka ovat laajalti levinneet kasvikuntaan, mukaan lukien sellaiset heimot kuin Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae ja Menispermaceae.30 Aiemmat tutkimukset ovat vahvistaneet, että isokinoliinialkaloideilla on monipuolisia biologisia vaikutuksia ja rakenteellisia ominaisuuksia, mukaan lukien hyönteismyrkky, diabetes, kasvaimia estävä, antifungaalinen, tulehdusta estävä, antibakteerinen, antiparasiittinen, antioksidanttinen, antiviraalinen ja hermostoa suojaava vaikutus.
Tässä tutkimuksessa kaikkien yhdisteiden χ²-arvot olivat kriittisen kynnysarvon alapuolella ja p-arvot olivat yli 0,05. Nämä tulokset vahvistavat LC₅₀-estimaattien luotettavuuden ja osoittavat, että probabilistinen regressio voi tehokkaasti kuvata havaittua annos-vastesuhdetta. Siksi aktiivisimman yhdisteen (1a) perusteella lasketut LC₅₀-arvot ja toksisuusindeksit (TI) ovat erittäin luotettavia ja sopivia toksikologisten vaikutusten vertailuun.
Arvioidaksemme 12 uuden syntetisoidun tiofeeni-isokinolinonijohdannaisen ja niiden esiasteen 1a:n vuorovaikutuksia kahden keskeisen hyttysten hermosolukohteen – asetyylikoliesteraasin (AChE) ja nikotiiniasetyylikoliinireseptorin (nAChR) – kanssa, suoritimme molekyylitelakointimallinnuksen. Nämä kohteet valittiin toukkien kuoleman kokeissa havaittujen neurotoksisten oireiden perusteella, jotka viittaavat heikentyneeseen hermosolujen signalointiin. Lisäksi näiden yhdisteiden rakenteellinen samankaltaisuus organofosfaattien ja neonikotinoidien kanssa tukee edelleen näiden kohteiden ensisijaista valintaa, sillä organofosfaatit ja neonikotinoidit vaikuttavat myrkyllisesti estämällä AChE:tä ja aktivoimalla nAChR:ää.
Lisäksi useat yhdisteet (mukaan lukien 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f ja 7) vuorovaikuttavat SER280:n kanssa. SER280-tähteet osallistuvat kiderakenteen konformaatioiden muokkaamiseen ja ovat säilyneet BT7:n redopatoituneessa konformaatiossa. Tämä vuorovaikutustapojen monimuotoisuus korostaa näiden yhdisteiden sopeutumiskykyä aktiivisessa kohdassa, ja SER280 ja GLU359 voivat toimia adaptiivisina ankkurikohtina telakointiolosuhteissa. Synteettisten johdannaisten ja keskeisten tähteiden, kuten GLU359:n ja SER280:n, välillä havaitut usein esiintyvät vuorovaikutukset, jotka ovat osa ihmisen asetyylikoliesteraasin (AChE) tunnettua SER-HIS-GLU-katalyyttistä triadia, tukevat edelleen hypoteesia, jonka mukaan nämä yhdisteet voivat aiheuttaa voimakkaita AChE:tä estäviä vaikutuksia sitoutumalla katalyyttisesti tärkeisiin kohtiin.29, 61, 64
Merkillepantavaa on, että yhdiste 6 ja sen esiaste 1a osoittivat biomäärityksessä tehokkainta aktiivisuutta toukkia vastaan, ja niillä oli sarjan yhdisteistä alhaisimmat LC₅₀-arvot. Molekyylitasolla yhdiste 6 on kriittisessä vuorovaikutuksessa klooripyrifoksen kanssa GLU359-kohdassa, kun taas yhdiste 1a on päällekkäinen uudelleen seostetun BT7:n kanssa vetysidoksen kautta SER280:een. Sekä GLU359 että SER280 ovat läsnä BT7:n alkuperäisessä kristallografisessa sitoutumiskonformaatiossa ja ovat asetyylikoliesteraasin konservoituneen katalyyttisen tripletin (SER–HIS–GLU) komponentteja, mikä korostaa näiden vuorovaikutusten toiminnallista merkitystä yhdisteiden estävän aktiivisuuden ylläpitämisessä (kuva 10).
Havaittu samankaltaisuus sitoutumiskohdissa BT7-johdannaisten (mukaan lukien natiivin ja uudelleen muodostetun BT7:n) ja klooripyrifoksen välillä, erityisesti katalyyttisen aktiivisuuden kannalta kriittisissä aminohappotähteissä, viittaa vahvasti näiden yhdisteiden yhteiseen estomekanismiin. Kaiken kaikkiaan nämä tulokset vahvistavat tiofeeni-isokinolinonijohdannaisten merkittävän potentiaalin erittäin tehokkaina asetyylikoliesteraasin estäjinä niiden konservoituneiden ja biologisesti relevanttien vuorovaikutusten ansiosta.
Molekyylitelakointitulosten ja toukkien biomääritystulosten välinen vahva korrelaatio vahvistaa edelleen, että asetyylikoliiniesteraasi (AChE) ja nikotiiniasetyylikoliinireseptori (nAChR) ovat syntetisoitujen tiofeeni-isokinolinoni-johdannaisten ensisijaisia neurotoksisia kohteita. Vaikka telakointitulokset antavat tärkeää tietoa reseptori-ligandi-affiniteetista, on huomattava, että pelkkä sitoutumisenergia ei riitä selittämään täysin hyönteismyrkkytehoa in vivo. LC₅₀-arvojen erot samanlaisten telakointiominaisuuksien omaavien yhdisteiden välillä voivat johtua tekijöistä, kuten metabolisesta stabiilisuudesta, imeytymisestä, biologisesta hyötyosuudesta ja jakautumisesta hyönteisissä.⁶⁰,⁶⁴Rationaalinen rakennesuunnittelu, tietokonesimulaatiolla simuloitu korkea reseptoriaffiniteetti ja voimakas biologinen aktiivisuus tukevat kuitenkin vahvasti näkemystä, että AChE ja nAChR:t ovat havaitun neurotoksisuuden pääasialliset välittäjät.
Yhteenvetona voidaan todeta, että syntetisoiduilla tiofeeni-isokinolinoni-hybrideillä on keskeisiä rakenteellisia ja toiminnallisia elementtejä, jotka ovat pitkälti yhteensopivia tunnettujen neuroaktiivisten hyönteismyrkkyjen kanssa. Niiden kyky sitoutua tehokkaasti asetyylikoliiniesteraasiin (AChE) ja nikotiiniasetyylikoliinireseptoreihin (nAChR) täydentävien vuorovaikutusmekanismien kautta korostaa niiden potentiaalia kaksoiskohteena toimivina hyönteismyrkkyinä. Tämä kaksoismekanismi ei ainoastaan paranna hyönteismyrkkyjen tehoa, vaan tarjoaa myös lupaavan strategian olemassa olevien resistenssimekanismien voittamiseksi, mikä tekee näistä yhdisteistä lupaavia ehdokkaita seuraavan sukupolven hyttysten torjunta-aineiden kehittämiseen.
Molekyylidynamiikan (MD) simulaatioita käytetään molekyylitelakointitulosten validointiin ja laajentamiseen, mikä tarjoaa realistisemman ja ajasta riippuvaisemman arvion ligandin ja kohteen vuorovaikutuksista fysiologisesti realistisissa olosuhteissa. Vaikka molekyylitelakointi voi tarjota arvokasta alustavaa tietoa mahdollisista sitoutumisasemista ja affiniteeteista, se on staattinen malli eikä voi ottaa huomioon reseptorin joustavuutta, liuottimen dynamiikkaa tai molekyylivuorovaikutusten ajallisia vaihteluita. Siksi MD-simulaatiot ovat tärkeä täydentävä menetelmä kompleksien stabiilisuuden, vuorovaikutusten kestävyyden ja ligandien ja proteiinien konformaatiomuutosten arvioimiseksi ajan kuluessa.60, 62, 71
Koska niillä on asetyylikoliesteraasiin (AChE) paremmat sitoutumisominaisuudet kuin nikotiiniasetyylikoliinireseptoriin (nAChR), valitsimme molekyylidynamiikan (MD) simulaatioita varten emomolekyylin 1a (jolla oli alhaisin LC₅₀-arvo) ja aktiivisimman tiofeeni-isokinoliiniyhdisteen 6. Tavoitteena oli arvioida, pysyikö niiden sitoutumiskonformaatio AChE:n aktiivisessa kohdassa vakaana 100 ns:n simulaation aikana, ja verrata niiden sitoutumiskäyttäytymistä klooripyrifoksen ja rebound-kokiteytyneen AChE-estäjän BT7:n käyttäytymiseen.
Molekyylidynamiikan simulaatioihin sisältyi keskihajonta (RMSD) kompleksin kokonaisstabiilisuuden arvioimiseksi, fluktuaatioiden keskihajonta (RMSF) aminohappotähteiden joustavuuden tutkimiseksi ja ligandi-akseptorivuorovaikutusanalyysi vetysidosten, hydrofobisten kontaktien ja ionivuorovaikutusten stabiilisuuden määrittämiseksi (lisätiedot). Vaikka kaikkien ligandien RMSD- ja RMSF-arvot pysyivät stabiililla alueella, mikä osoittaa, ettei AChE-ligandikompleksissa tapahtunut merkittäviä konformaatiomuutoksia (kuva 12), nämä parametrit eivät yksinään riitä selittämään täysin yhdisteiden välisiä sitoutumismassan eroja.
Julkaisun aika: 15.12.2025