Door muggen overgedragen ziekten vormen nog steeds een ernstig wereldwijd probleem voor de volksgezondheid.De toenemende resistentie van ziekteverwekkers, zoals Culex pipiens pallens, tegen traditionele insecticiden verergert dit probleem. In deze studie werd een reeks nieuwe thiofeen-isoquinolinon-hybriden ontworpen, gesynthetiseerd en geëvalueerd als potentiële larviciden. Van de gesynthetiseerde verbindingen vertoonden de derivaten 5f, 6 en 7 een significante larvicide activiteit tegen Culex pipiens pallens-larven met LC₅₀-waarden van respectievelijk 0,3, 0,1 en 1,85 μg/mL. Opvallend is dat alle twaalf thiofeen-isoquinolinon-derivaten een significant hogere toxiciteit vertoonden dan het referentie-organofosfaat-insecticide chloorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), wat de superieure toxiciteit van deze verbindingen bevestigt. Interessant genoeg vertoonde synthetisch intermediair 1a (een thiofeensemiester) de hoogste potentie (LC₅₀ = 0,004 μg/mL), en hoewel nog niet volledig geoptimaliseerd, overtrof de potentie ervan die van alle uiteindelijke derivaten. Mechanistisch-biologische studies brachten robuuste neurotoxiciteitssymptomen aan het licht, wat wijst op een verstoorde cholinerge functie. Moleculaire docking en moleculaire dynamica-simulaties bevestigden deze waarneming en onthulden sterke specifieke interacties met acetylcholinesterase (AChE) en de nicotine-acetylcholinereceptor (nAChR), wat suggereert dat er mogelijk sprake is van een dubbelwerkend mechanisme. Dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT)-berekeningen bevestigden verder de gunstige elektronische eigenschappen en reactiviteit van de actieve verbindingen. De structurele diversiteit en consistent hoge potentie van deze reeks verbindingen kunnen het risico op kruisresistentie verminderen en strategieën voor resistentiebeheer vergemakkelijken door middel van rotatie of combinatie van verbindingen. Al met al wijzen deze resultaten erop dat thiofeen-isoquinolinon-hybriden een veelbelovende optie zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie larviciden die zich richten op neurofysiologische processen bij insecten die ziekten overbrengen.
Muggen behoren tot de meest effectieve vectoren van infectieziekten. Ze verspreiden een breed scala aan gevaarlijke ziekteverwekkers en vormen een aanzienlijke bedreiging voor de wereldwijde volksgezondheid. Soorten zoals Culex pipiens, Aedes aegypti en Anopheles gambiae staan erom bekend virussen, bacteriën en parasieten over te brengen, wat jaarlijks miljoenen infecties en talloze sterfgevallen veroorzaakt. Culex pipiens is bijvoorbeeld een belangrijke vector van arbovirussen zoals het West-Nijl-virus en het St. Louis-encefalitisvirus, evenals parasitaire ziekten zoals vogelmalaria. Recent onderzoek heeft ook aangetoond dat Culex pipiens een belangrijke rol speelt in de verspreiding van schadelijke bacteriën zoals Bacillus cereus en Staphylococcus warwickii, die voedsel besmetten en problemen voor de volksgezondheid verergeren. De hoge aanpassingsvermogen, overlevingskansen en resistentie van muggen tegen bestrijdingsmethoden maken ze moeilijk te bestrijden en vormen een aanhoudende bedreiging.
Chemische insecticiden zijn een belangrijk middel in de muggenbestrijding, met name tijdens uitbraken van door muggen overgedragen ziekten. Verschillende klassen insecticiden, waaronder pyrethroiden, organofosfaten en carbamaten, worden veelvuldig gebruikt om muggenpopulaties en ziekteoverdracht te verminderen. Het wijdverbreide en langdurige gebruik van deze chemicaliën heeft echter geleid tot ernstige milieu- en volksgezondheidsproblemen, waaronder verstoring van ecosystemen, schadelijke effecten op niet-doelsoorten en de snelle ontwikkeling van insecticideresistentie bij muggenpopulaties.11, 12, 13, 14Deze resistentie vermindert de effectiviteit van veel traditionele insecticiden aanzienlijk, wat de dringende behoefte aan innovatieve chemische oplossingen met nieuwe werkingsmechanismen benadrukt om deze steeds veranderende bedreigingen effectief te bestrijden.11, 12, 13, 14Om deze ernstige uitdagingen aan te pakken, wenden onderzoekers zich tot alternatieve strategieën zoals biologische bestrijding, genetische manipulatie en geïntegreerd vectormanagement (IVM). Deze benaderingen lijken veelbelovend voor duurzame muggenbestrijding op de lange termijn. Tijdens epidemieën en noodsituaties blijven chemische methoden echter cruciaal voor een snelle reactie.
Isochinoline-alkaloïden zijn belangrijke stikstofhoudende heterocyclische verbindingen die wijdverspreid voorkomen in het plantenrijk, waaronder in families als Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae en Menispermaceae.30 Eerdere studies hebben bevestigd dat isochinoline-alkaloïden diverse biologische activiteiten en structurele kenmerken bezitten, waaronder insecticide, antidiabetische, antitumorale, schimmelwerende, ontstekingsremmende, antibacteriële, antiparasitaire, antioxiderende, antivirale en neuroprotectieve effecten.
In deze studie lagen de χ²-waarden voor alle verbindingen onder de kritische drempel en de p-waarden boven 0,05. Deze resultaten bevestigen de betrouwbaarheid van de LC₅₀-schattingen en tonen aan dat probabilistische regressie de waargenomen dosis-responsrelatie effectief kan beschrijven. Daarom zijn de LC₅₀-waarden en toxiciteitsindices (TI's) berekend op basis van de meest actieve verbinding (1a) zeer betrouwbaar en geschikt voor het vergelijken van toxicologische effecten.
Om de interacties van twaalf nieuw gesynthetiseerde thiofeen-isoquinolinon-derivaten en hun precursor 1a met twee belangrijke neuronale doelwitten van muggen te evalueren – acetylcholinesterase (AChE) en de nicotine-acetylcholinereceptor (nAChR) – hebben we moleculaire docking-modellering uitgevoerd. Deze doelwitten werden geselecteerd op basis van neurotoxische symptomen die werden waargenomen in larvale sterfteproeven, wat wijst op een verstoorde neuronale signalering. Bovendien ondersteunt de structurele gelijkenis van deze verbindingen met organofosfaten en neonicotinoïden de voorkeur voor deze doelwitten, aangezien organofosfaten en neonicotinoïden hun toxische effecten uitoefenen door respectievelijk AChE te remmen en nAChR te activeren.
Bovendien vertonen verschillende verbindingen (waaronder 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f en 7) interactie met SER280. Residuen van SER280 spelen een rol bij het vormgeven van de conformaties van de kristalstructuur en zijn geconserveerd in de hergedoopte conformatie van BT7. Deze diversiteit aan interactiemodi benadrukt het aanpassingsvermogen van deze verbindingen in de actieve site, waarbij SER280 en GLU359 mogelijk fungeren als adaptieve ankerplaatsen onder dockingomstandigheden. De frequente interacties die worden waargenomen tussen synthetische derivaten en belangrijke residuen zoals GLU359 en SER280, die deel uitmaken van de bekende SER-HIS-GLU-katalytische triade in humaan acetylcholinesterase (AChE), ondersteunen verder de hypothese dat deze verbindingen krachtige remmende effecten op AChE kunnen uitoefenen door te binden aan katalytisch belangrijke plaatsen.29,61,64
Opvallend is dat verbinding 6 en zijn voorloper 1a de meest krachtige activiteit tegen larven vertoonden in de bioassay, met de laagste LC₅₀-waarden van alle verbindingen in de reeks. Op moleculair niveau vertoont verbinding 6 een cruciale interactie met chlorpyrifos op de GLU359-site, terwijl verbinding 1a overlapt met hergedopeerd BT7 via een waterstofbrug naar SER280. Zowel GLU359 als SER280 zijn aanwezig in de oorspronkelijke kristallografische bindingsconformatie van BT7 en zijn componenten van het geconserveerde katalytische triplet van acetylcholinesterase (SER–HIS–GLU), wat het functionele belang van deze interacties voor het behoud van de remmende activiteit van de verbindingen benadrukt (Fig. 10).
De waargenomen gelijkenis in bindingsplaatsen tussen BT7-derivaten (waaronder natief en gereconstitueerd BT7) en chloorpyrifos, met name bij residuen die cruciaal zijn voor de katalytische activiteit, suggereert sterk een gemechanisme van remming tussen deze verbindingen. Over het geheel genomen bevestigen deze resultaten het aanzienlijke potentieel van thiofeen-isoquinolinon-derivaten als zeer krachtige acetylcholinesterase-remmers vanwege hun geconserveerde en biologisch relevante interacties.
Een sterke correlatie tussen de resultaten van de moleculaire dockingstudie en de resultaten van de larvenbioassay bevestigt verder dat acetylcholinesterase (AChE) en de nicotinische acetylcholinereceptor (nAChR) de primaire neurotoxische doelwitten zijn van de gesynthetiseerde thiofeen-isoquinolinonderivaten. Hoewel de dockingresultaten belangrijke informatie verschaffen over de receptor-ligandaffiniteit, moet worden erkend dat bindingsenergie alleen onvoldoende is om de insecticide werkzaamheid in vivo volledig te verklaren. Verschillen in LC₅₀-waarden tussen verbindingen met vergelijkbare dockingkenmerken kunnen te wijten zijn aan factoren zoals metabolische stabiliteit, absorptie, biologische beschikbaarheid en distributie in insecten.⁶⁰,⁶⁴Het rationele structurele ontwerp, de hoge receptoraffiniteit die door computersimulaties is aangetoond en de krachtige biologische activiteit ondersteunen echter sterk de opvatting dat AChE en nAChRs de belangrijkste bemiddelaars zijn van de waargenomen neurotoxiciteit.
Samenvattend bezitten de gesynthetiseerde thiofeen-isoquinolinon-hybriden belangrijke structurele en functionele elementen die grotendeels overeenkomen met bekende neuroactieve insecticiden. Hun vermogen om efficiënt te binden aan acetylcholinesterase (AChE) en nicotine-acetylcholinereceptoren (nAChR's) via complementaire interactiemechanismen benadrukt hun potentieel als insecticiden met een dubbele werking. Dit dubbele mechanisme verbetert niet alleen de insecticide werking, maar biedt ook een veelbelovende strategie om bestaande resistentiemechanismen te overwinnen, waardoor deze verbindingen veelbelovende kandidaten zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie middelen voor muggenbestrijding.
Moleculaire dynamica (MD)-simulaties worden gebruikt om de resultaten van moleculaire docking te valideren en uit te breiden. Dit levert een realistischer en tijdsafhankelijker beeld op van ligand-doelwitinteracties onder fysiologisch realistische omstandigheden. Hoewel moleculaire docking waardevolle voorlopige informatie kan verschaffen over potentiële bindingsposities en affiniteiten, is het een statisch model dat geen rekening houdt met receptorflexibiliteit, oplosmiddeldynamiek of tijdelijke fluctuaties in moleculaire interacties. Daarom vormen MD-simulaties een belangrijke aanvullende methode voor het beoordelen van complexstabiliteit, interactierobuustheid en conformationele veranderingen in liganden en eiwitten in de loop van de tijd.60, 62, 71
Op basis van hun superieure bindingseigenschappen aan acetylcholinesterase (AChE) in vergelijking met de nicotine-acetylcholinereceptor (nAChR), selecteerden we het moedermolecule 1a (met de laagste LC₅₀-waarde) en de meest actieve thiofeen-isoquinolineverbinding 6 voor moleculaire dynamica (MD)-simulaties. Het doel was om te evalueren of hun bindingsconformatie in de actieve site van AChE stabiel bleef gedurende 100 ns simulatie en om hun bindingsgedrag te vergelijken met dat van chloorpyrifos en de rebound-gecokristalliseerde AChE-remmer BT7.
Moleculaire dynamica-simulaties omvatten de wortelgemiddelde kwadratische afwijking (RMSD) om de algehele complexstabiliteit te beoordelen; de wortelgemiddelde kwadratische afwijking van fluctuaties (RMSF) om de flexibiliteit van residuen te bestuderen; en ligand-acceptor-interactieanalyse om de stabiliteit van waterstofbruggen, hydrofobe contacten en ionische interacties te bepalen (aanvullende gegevens). Hoewel de RMSD- en RMSF-waarden voor alle liganden binnen een stabiel bereik bleven, wat aangeeft dat er geen significante conformationele veranderingen in het AChE-ligandcomplex plaatsvonden (figuur 12), zijn deze parameters alleen onvoldoende om de verschillen in bindingsmassa tussen de verbindingen volledig te verklaren.
Geplaatst op: 15 december 2025