Les malalties transmeses per mosquits continuen sent un greu problema de salut pública mundialLa creixent resistència dels vectors de malalties, com ara Culex pipiens pallens, als insecticides tradicionals agreuja encara més aquest problema. En aquest estudi, es va dissenyar, sintetitzar i avaluar una sèrie de nous híbrids de tiofè-isoquinolinona com a possibles larvicides. Entre els compostos sintetitzats, els derivats 5f, 6 i 7 van demostrar una activitat larvicida significativa contra les larves de Culex pipiens pallens amb valors de LC₅₀ de 0,3, 0,1 i 1,85 μg/mL, respectivament. Cal destacar que els dotze derivats de tiofè-isoquinolinona van demostrar una toxicitat significativament més alta que l'insecticida organofosforat de referència clorpirifòs (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), cosa que confirma la toxicitat superior d'aquests compostos. Curiosament, l'intermedi sintètic 1a (un semièster de tiofè) va exhibir la potència més alta (LC₅₀ = 0,004 μg/mL), i tot i que encara no està completament optimitzat, la seva potència encara superava la de tots els derivats finals. Els estudis biològics mecanístics van revelar símptomes robustos de neurotoxicitat, cosa que suggereix una funció colinèrgica alterada. Les simulacions d'acoblament molecular i de dinàmica molecular van confirmar aquesta observació, revelant fortes interaccions específiques amb l'acetilcolinesterasa (AChE) i el receptor nicotínic d'acetilcolina (nAChR), cosa que suggereix un possible mecanisme d'acció dual. Els càlculs de la teoria funcional de la densitat (DFT) van confirmar encara més les propietats electròniques favorables i la reactivitat dels compostos actius. La diversitat estructural i la potència constantment alta d'aquesta sèrie de compostos poden reduir el risc de resistència creuada i facilitar estratègies de gestió de la resistència mitjançant la rotació o combinació de compostos. En general, aquests resultats indiquen que els híbrids de tiofè-isoquinolinona són una opció prometedora per al desenvolupament de larvicides de nova generació dirigits a les vies neurofisiològiques dels insectes vectors.
Els mosquits es troben entre els vectors més eficaços de malalties infeccioses, ja que propaguen una àmplia gamma de patògens perillosos i representen una amenaça important per a la salut pública mundial. Espècies com ara Culex pipiens, Aedes aegypti i Anopheles gambiae són particularment conegudes per transmetre virus, bacteris i paràsits, causant milions d'infeccions i nombroses morts anualment. Per exemple, Culex pipiens és un vector important d'arbovirus com el virus del Nil Occidental i el virus de l'encefalitis de Saint Louis, així com de malalties parasitàries com la malària aviària. Investigacions recents també han demostrat que Culex pipiens juga un paper important en el vector i la transmissió de bacteris nocius com ara Bacillus cereus i Staphylococcus warwickii, que contaminen els aliments i agreugen els problemes de salut pública. L'alta adaptabilitat, supervivència i resistència dels mosquits als mètodes de control els fan difícils de controlar i representen una amenaça persistent.
Els insecticides químics són una eina clau en el control de mosquits, especialment durant els brots de malalties transmeses per mosquits. Diverses classes d'insecticides, com ara piretroides, organofosfats i carbamats, s'utilitzen àmpliament per reduir les poblacions de mosquits i la transmissió de malalties. Tanmateix, l'ús generalitzat i a llarg termini d'aquests productes químics ha provocat greus problemes ambientals i de salut pública, com ara la disrupció dels ecosistemes, els efectes nocius sobre espècies no objectiu i el ràpid desenvolupament de la resistència als insecticides en les poblacions de mosquits.11, 12, 13, 14Aquesta resistència redueix significativament l'eficàcia de molts insecticides tradicionals, cosa que destaca la necessitat urgent de solucions químiques innovadores amb nous mecanismes d'acció per contrarestar eficaçment aquestes amenaces en evolució.11, 12, 13, 14Per abordar aquests greus reptes, els investigadors estan recorrent a estratègies alternatives com el biocontrol, l'enginyeria genètica i la gestió integrada de vectors (IVM). Aquests enfocaments demostren ser prometedors per al control sostenible dels mosquits a llarg termini. No obstant això, durant les epidèmies i les emergències, els mètodes químics continuen sent crucials per a una resposta ràpida.
Els alcaloides isoquinolínics són importants compostos heterocíclics que contenen nitrogen i estan àmpliament distribuïts al regne vegetal, incloent-hi famílies com ara Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae i Menispermaceae.30 Estudis previs han confirmat que els alcaloides isoquinolínics posseeixen diverses activitats biològiques i característiques estructurals, com ara efectes insecticides, antidiabètics, antitumorals, antifúngics, antiinflamatoris, antibacterians, antiparasitaris, antioxidants, antivirals i neuroprotectors.
En aquest estudi, els valors de χ² per a tots els compostos van ser inferiors al llindar crític, i els valors de p van ser superiors a 0,05. Aquests resultats confirmen la fiabilitat de les estimacions de LC₅₀ i demostren que la regressió probabilística pot descriure eficaçment la relació dosi-resposta observada. Per tant, els valors de LC₅₀ i els índexs de toxicitat (IT) calculats en funció del compost més actiu (1a) són altament fiables i adequats per comparar els efectes toxicològics.
Per avaluar les interaccions de 12 derivats de tiofè-isoquinolinona recentment sintetitzats i el seu precursor 1a amb dues dianes neuronals clau dels mosquits: l'acetilcolinesterasa (AChE) i el receptor nicotínic d'acetilcolina (nAChR), vam dur a terme un model d'acoblament molecular. Aquestes dianes es van seleccionar en funció dels símptomes neurotòxics observats en assaigs de mort larvària, cosa que indica una senyalització neuronal alterada. A més, la similitud estructural d'aquests compostos amb els organofosfats i els neonicotinoides recolza encara més l'elecció preferida d'aquestes dianes, ja que els organofosfats i els neonicotinoides exerceixen els seus efectes tòxics inhibint l'AChE i activant el nAChR, respectivament.
A més, diversos compostos (inclosos els 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f i 7) interactuen amb SER280. Els residus de SER280 estan implicats en la configuració de les conformacions de l'estructura cristal·lina i es conserven en la conformació redopada de BT7. Aquesta diversitat de modes d'interacció destaca l'adaptabilitat d'aquests compostos al lloc actiu, amb SER280 i GLU359 que poden servir com a llocs d'ancoratge adaptatius en condicions d'acoblament. Les freqüents interaccions observades entre derivats sintètics i residus clau com ara GLU359 i SER280, que són components de la coneguda tríada catalítica SER-HIS-GLU en l'acetilcolinesterasa humana (AChE), donen suport a la hipòtesi que aquests compostos poden exercir potents efectes inhibidors sobre l'AChE en unir-se a llocs catalíticament importants.29,61,64
Cal destacar que el compost 6 i el seu precursor 1a van demostrar l'activitat més potent contra les larves en el bioassaig, mostrant els valors de LC₅₀ més baixos entre els compostos de la sèrie. A nivell molecular, el compost 6 presenta una interacció crítica amb el clorpirifòs al lloc GLU359, mentre que el compost 1a se superposa amb BT7 redopat mitjançant un enllaç d'hidrogen a SER280. Tant GLU359 com SER280 són presents en la conformació d'unió cristal·logràfica original de BT7 i són components del triplet catalític conservat d'acetilcolinesterasa (SER-HIS-GLU), cosa que destaca la importància funcional d'aquestes interaccions en el manteniment de l'activitat inhibidora dels compostos (Fig. 10).
La similitud observada en els llocs d'unió entre els derivats de BT7 (inclòs el BT7 natiu i reconstituït) i el clorpirifòs, particularment en residus crítics per a l'activitat catalítica, suggereix fermament un mecanisme d'inhibició comú entre aquests compostos. En general, aquests resultats confirmen el potencial significatiu dels derivats de tiofè-isoquinolinona com a inhibidors de l'acetilcolinesterasa altament potents a causa de les seves interaccions conservades i biològicament rellevants.
Una forta correlació entre els resultats de l'acoblament molecular i els resultats del bioassaig larvari confirma encara més que l'acetilcolinesterasa (AChE) i el receptor nicotínic d'acetilcolina (nAChR) són les principals dianes neurotòxiques dels derivats de tiofè-isoquinolinona sintetitzats. Tot i que els resultats de l'acoblament proporcionen informació important sobre l'afinitat receptor-lligand, cal reconèixer que l'energia d'unió per si sola no és suficient per explicar completament l'eficàcia insecticida in vivo. Les diferències en els valors de LC₅₀ entre compostos amb característiques d'acoblament similars poden ser degudes a factors com l'estabilitat metabòlica, l'absorció, la biodisponibilitat i la distribució en insectes.⁶⁰,⁶⁴Tanmateix, el disseny estructural racional, l'alta afinitat pel receptor simulada mitjançant simulació per ordinador i la potent activitat biològica donen suport a la idea que l'AChE i els nAChR són els principals mediadors de la neurotoxicitat observada.
En conclusió, els híbrids de tiofè-isoquinolinona sintetitzats posseeixen elements estructurals i funcionals clau, en gran part compatibles amb els insecticides neuroactius coneguts. La seva capacitat d'unir-se eficientment als receptors d'acetilcolinesterasa (AChE) i nicotínics d'acetilcolina (nAChR) a través de mecanismes d'interacció complementaris destaca el seu potencial com a insecticides de doble diana. Aquest doble mecanisme no només millora l'eficàcia insecticida, sinó que també proporciona una estratègia prometedora per superar els mecanismes de resistència existents, convertint aquests compostos en candidats prometedors per al desenvolupament d'agents de control de mosquits de nova generació.
Les simulacions de dinàmica molecular (MD) s'utilitzen per validar i ampliar els resultats de l'acoblament molecular, proporcionant una avaluació més realista i dependent del temps de les interaccions lligand-diana en condicions fisiològicament realistes. Tot i que l'acoblament molecular pot proporcionar informació preliminar valuosa sobre les possibles posicions d'unió i afinitats, és un model estàtic i no pot tenir en compte la flexibilitat del receptor, la dinàmica del dissolvent o les fluctuacions temporals en les interaccions moleculars. Per tant, les simulacions MD són un mètode complementari important per avaluar l'estabilitat complexa, la robustesa de la interacció i els canvis conformacionals en lligands i proteïnes al llarg del temps.60,62,71
Basant-nos en les seves propietats d'unió superiors a l'acetilcolinesterasa (AChE) en comparació amb el receptor nicotínic d'acetilcolina (nAChR), vam seleccionar la molècula original 1a (amb el valor LC₅₀ més baix) i el compost de tiofè-isoquinolina 6 més actiu per a simulacions de dinàmica molecular (MD). L'objectiu era avaluar si la seva conformació d'unió al lloc actiu de l'AChE es mantenia estable durant més de 100 ns de simulació i comparar el seu comportament d'unió amb el del clorpirifòs i l'inhibidor de l'AChE cocristal·litzat de rebot BT7.
Les simulacions de dinàmica molecular van incloure la desviació quadràtica mitjana (RMSD) per avaluar l'estabilitat general del complex; la desviació quadràtica mitjana de les fluctuacions (RMSF) per estudiar la flexibilitat dels residus; i l'anàlisi d'interacció lligand-acceptor per determinar l'estabilitat dels enllaços d'hidrogen, els contactes hidrofòbics i les interaccions iòniques (dades suplementàries). Tot i que els valors RMSD i RMSF per a tots els lligands es van mantenir dins d'un rang estable, cosa que indica que no hi ha canvis conformacionals significatius en el complex AChE-lligand (Figura 12), aquests paràmetres per si sols són insuficients per explicar completament les diferències en la massa d'unió entre els compostos.
Data de publicació: 15 de desembre de 2025