Le malattie trasmesse dalle zanzare rimangono un grave problema di salute pubblica a livello globale.La crescente resistenza dei vettori di malattie, come Culex pipiens pallens, agli insetticidi tradizionali aggrava ulteriormente questo problema. In questo studio, una serie di nuovi ibridi tiofene-isochinolinone sono stati progettati, sintetizzati e valutati come potenziali larvicidi. Tra i composti sintetizzati, i derivati 5f, 6 e 7 hanno dimostrato una significativa attività larvicida contro le larve di Culex pipiens pallens con valori di LC₅₀ rispettivamente di 0,3, 0,1 e 1,85 μg/mL. In particolare, tutti e dodici i derivati tiofene-isochinolinone hanno dimostrato una tossicità significativamente maggiore rispetto all'insetticida organofosforico di riferimento clorpirifos (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), confermando la tossicità superiore di questi composti. È interessante notare che l'intermedio sintetico 1a (un semiestere di tiofene) ha mostrato la potenza più elevata (LC₅₀ = 0,004 μg/mL) e, sebbene non ancora completamente ottimizzato, la sua potenza ha comunque superato quella di tutti i derivati finali. Studi biologici meccanicistici hanno rivelato robusti sintomi di neurotossicità, suggerendo un'alterazione della funzione colinergica. Il docking molecolare e le simulazioni di dinamica molecolare hanno confermato questa osservazione, rivelando forti interazioni specifiche con l'acetilcolinesterasi (AChE) e il recettore nicotinico dell'acetilcolina (nAChR), suggerendo un possibile meccanismo di doppia azione. I calcoli di teoria del funzionale della densità (DFT) hanno ulteriormente confermato le proprietà elettroniche favorevoli e la reattività dei composti attivi. La diversità strutturale e la potenza costantemente elevata di questa serie di composti possono ridurre il rischio di resistenza crociata e facilitare le strategie di gestione della resistenza attraverso la rotazione o la combinazione dei composti. Nel complesso, questi risultati indicano che gli ibridi tiofene-isochinolinone rappresentano un'opzione promettente per lo sviluppo di larvicidi di nuova generazione mirati ai percorsi neurofisiologici degli insetti vettori.
Le zanzare sono tra i vettori più efficaci di malattie infettive, diffondendo un'ampia gamma di agenti patogeni pericolosi e rappresentando una minaccia significativa per la salute pubblica globale. Specie come Culex pipiens, Aedes aegypti e Anopheles gambiae sono particolarmente note per la trasmissione di virus, batteri e parassiti, causando milioni di infezioni e numerosi decessi ogni anno. Ad esempio, Culex pipiens è un importante vettore di arbovirus come il virus del Nilo occidentale e il virus dell'encefalite di St. Louis, nonché di malattie parassitarie come la malaria aviaria. Recenti ricerche hanno inoltre dimostrato che Culex pipiens svolge un ruolo significativo nella trasmissione di batteri nocivi come Bacillus cereus e Staphylococcus warwickii, che contaminano gli alimenti e aggravano i problemi di salute pubblica. L'elevata capacità di adattamento, la sopravvivenza e la resistenza delle zanzare ai metodi di controllo le rendono difficili da debellare e rappresentano una minaccia persistente.
Gli insetticidi chimici sono uno strumento fondamentale per il controllo delle zanzare, soprattutto durante le epidemie di malattie trasmesse da questi insetti. Diverse classi di insetticidi, tra cui piretroidi, organofosfati e carbammati, sono ampiamente utilizzate per ridurre le popolazioni di zanzare e la trasmissione di malattie. Tuttavia, l'uso diffuso e prolungato di queste sostanze chimiche ha sollevato gravi preoccupazioni per l'ambiente e la salute pubblica, tra cui la perturbazione degli ecosistemi, effetti dannosi su specie non bersaglio e il rapido sviluppo di resistenza agli insetticidi nelle popolazioni di zanzare.11,12,13,14Questa resistenza riduce significativamente l'efficacia di molti insetticidi tradizionali, evidenziando l'urgente necessità di soluzioni chimiche innovative con nuovi meccanismi d'azione per contrastare efficacemente queste minacce in continua evoluzione.11,12,13,14Per affrontare queste gravi sfide, i ricercatori si stanno rivolgendo a strategie alternative come il controllo biologico, l'ingegneria genetica e la gestione integrata dei vettori (IVM). Questi approcci si dimostrano promettenti per un controllo sostenibile a lungo termine delle zanzare. Tuttavia, durante le epidemie e le emergenze, i metodi chimici rimangono cruciali per una risposta rapida.
Gli alcaloidi isochinolinici sono importanti composti eterociclici contenenti azoto, ampiamente diffusi nel regno vegetale, comprese famiglie come Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae e Menispermaceae.30 Studi precedenti hanno confermato che gli alcaloidi isochinolinici possiedono diverse attività biologiche e caratteristiche strutturali, tra cui effetti insetticidi, antidiabetici, antitumorali, antifungini, antinfiammatori, antibatterici, antiparassitari, antiossidanti, antivirali e neuroprotettivi.
In questo studio, i valori di χ² per tutti i composti erano al di sotto della soglia critica e i valori di p erano superiori a 0,05. Questi risultati confermano l'affidabilità delle stime di LC₅₀ e dimostrano che la regressione probabilistica può descrivere efficacemente la relazione dose-risposta osservata. Pertanto, i valori di LC₅₀ e gli indici di tossicità (TI) calcolati sulla base del composto più attivo (1a) sono altamente affidabili e adatti per confrontare gli effetti tossicologici.
Per valutare le interazioni di 12 derivati tiofene-isochinolinonici di nuova sintesi e del loro precursore 1a con due bersagli neuronali chiave della zanzara, ovvero l'acetilcolinesterasi (AChE) e il recettore nicotinico dell'acetilcolina (nAChR), abbiamo condotto un'analisi di docking molecolare. Questi bersagli sono stati selezionati in base ai sintomi neurotossici osservati nei test di mortalità larvale, che indicano un'alterazione della segnalazione neuronale. Inoltre, la somiglianza strutturale di questi composti con gli organofosfati e i neonicotinoidi supporta ulteriormente la scelta preferenziale di questi bersagli, poiché gli organofosfati e i neonicotinoidi esercitano i loro effetti tossici inibendo l'AChE e attivando il nAChR, rispettivamente.
Inoltre, diversi composti (tra cui 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f e 7) interagiscono con SER280. I residui di SER280 sono coinvolti nella formazione delle conformazioni della struttura cristallina e sono conservati nella conformazione redopata di BT7. Questa diversità di modalità di interazione evidenzia l'adattabilità di questi composti nel sito attivo, con SER280 e GLU359 che potenzialmente fungono da siti di ancoraggio adattativi in condizioni di docking. Le frequenti interazioni osservate tra derivati sintetici e residui chiave come GLU359 e SER280, che sono componenti della nota triade catalitica SER-HIS-GLU nell'acetilcolinesterasi umana (AChE), supportano ulteriormente l'ipotesi che questi composti possano esercitare potenti effetti inibitori sull'AChE legandosi a siti cataliticamente importanti.29,61,64
In particolare, il composto 6 e il suo precursore 1a hanno dimostrato l'attività più potente contro le larve nel saggio biologico, mostrando i valori di LC₅₀ più bassi tra i composti della serie. A livello molecolare, il composto 6 mostra un'interazione critica con il clorpirifos nel sito GLU359, mentre il composto 1a si sovrappone al BT7 ri-drogato tramite un legame idrogeno con SER280. Sia GLU359 che SER280 sono presenti nella conformazione di legame cristallografica originale del BT7 e sono componenti del tripletto catalitico conservato dell'acetilcolinesterasi (SER–HIS–GLU), evidenziando il significato funzionale di queste interazioni nel mantenimento dell'attività inibitoria dei composti (Fig. 10).
La somiglianza osservata nei siti di legame tra i derivati del BT7 (inclusi il BT7 nativo e ricostituito) e il clorpirifos, in particolare nei residui critici per l'attività catalitica, suggerisce fortemente un meccanismo di inibizione comune tra questi composti. Nel complesso, questi risultati confermano il notevole potenziale dei derivati del tiofene-isochinolinone come potenti inibitori dell'acetilcolinesterasi grazie alle loro interazioni conservate e biologicamente rilevanti.
Una forte correlazione tra i risultati del docking molecolare e i risultati del bioassay larvale conferma ulteriormente che l'acetilcolinesterasi (AChE) e il recettore nicotinico dell'acetilcolina (nAChR) sono i principali bersagli neurotossici dei derivati tiofene-isochinolinonici sintetizzati. Sebbene i risultati del docking forniscano informazioni importanti sull'affinità recettore-ligando, va riconosciuto che la sola energia di legame non è sufficiente a spiegare completamente l'efficacia insetticida in vivo. Le differenze nei valori di LC₅₀ tra composti con caratteristiche di docking simili possono essere dovute a fattori quali stabilità metabolica, assorbimento, biodisponibilità e distribuzione negli insetti.⁶⁰,⁶⁴Tuttavia, il design strutturale razionale, l'elevata affinità del recettore simulata tramite simulazione al computer e la potente attività biologica supportano fortemente l'idea che AChE e nAChR siano i principali mediatori della neurotossicità osservata.
In conclusione, gli ibridi tiofene-isochinolinone sintetizzati possiedono elementi strutturali e funzionali chiave ampiamente compatibili con noti insetticidi neuroattivi. La loro capacità di legarsi efficacemente all'acetilcolinesterasi (AChE) e ai recettori nicotinici dell'acetilcolina (nAChR) tramite meccanismi di interazione complementari ne evidenzia il potenziale come insetticidi a doppio bersaglio. Questo duplice meccanismo non solo aumenta l'efficacia insetticida, ma fornisce anche una strategia promettente per superare i meccanismi di resistenza esistenti, rendendo questi composti candidati promettenti per lo sviluppo di agenti di controllo delle zanzare di nuova generazione.
Le simulazioni di dinamica molecolare (MD) vengono utilizzate per convalidare ed estendere i risultati del docking molecolare, fornendo una valutazione più realistica e dipendente dal tempo delle interazioni ligando-bersaglio in condizioni fisiologicamente realistiche. Sebbene il docking molecolare possa fornire preziose informazioni preliminari sulle potenziali posizioni di legame e affinità, si tratta di un modello statico che non può tenere conto della flessibilità del recettore, delle dinamiche del solvente o delle fluttuazioni temporali nelle interazioni molecolari. Pertanto, le simulazioni MD rappresentano un importante metodo complementare per valutare la stabilità dei complessi, la robustezza delle interazioni e i cambiamenti conformazionali di ligandi e proteine nel tempo.60,62,71
In base alle loro superiori proprietà di legame con l'acetilcolinesterasi (AChE) rispetto al recettore nicotinico dell'acetilcolina (nAChR), abbiamo selezionato la molecola progenitrice 1a (con il valore di LC₅₀ più basso) e il composto tiofene-isochinolinico più attivo 6 per le simulazioni di dinamica molecolare (MD). L'obiettivo era valutare se la loro conformazione di legame nel sito attivo dell'AChE rimanesse stabile per oltre 100 ns di simulazione e confrontare il loro comportamento di legame con quello del clorpirifos e dell'inibitore dell'AChE cocristallizzato BT7.
Le simulazioni di dinamica molecolare includevano la deviazione quadratica media (RMSD) per valutare la stabilità complessiva del complesso; la deviazione quadratica media delle fluttuazioni (RMSF) per studiare la flessibilità dei residui; e l'analisi dell'interazione ligando-accettore per determinare la stabilità dei legami idrogeno, dei contatti idrofobici e delle interazioni ioniche (dati supplementari). Sebbene i valori di RMSD e RMSF per tutti i ligandi siano rimasti entro un intervallo stabile, indicando l'assenza di cambiamenti conformazionali significativi nel complesso AChE-ligando (Figura 12), questi parametri da soli non sono sufficienti a spiegare completamente le differenze di massa di legame tra i composti.
Data di pubblicazione: 15-12-2025