Durch Mücken übertragene Krankheiten stellen weiterhin ein ernstes globales Problem für die öffentliche Gesundheit dar.Die zunehmende Resistenz von Krankheitsüberträgern wie der Baumwollkäferart Culex pipiens pallens gegenüber herkömmlichen Insektiziden verschärft dieses Problem zusätzlich. In dieser Studie wurde eine Reihe neuartiger Thiophen-Isochinolinon-Hybride entworfen, synthetisiert und als potenzielle Larvizide evaluiert. Die Derivate 5f, 6 und 7 zeigten eine signifikante larvizide Wirkung gegen Culex pipiens pallens-Larven mit LC₅₀-Werten von 0,3, 0,1 bzw. 1,85 μg/ml. Bemerkenswerterweise wiesen alle zwölf Thiophen-Isochinolinon-Derivate eine deutlich höhere Toxizität als das Referenz-Organophosphat-Insektizid Chlorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/ml) auf, was die überlegene Toxizität dieser Verbindungen bestätigt. Interessanterweise zeigte das synthetische Zwischenprodukt 1a (ein Thiophen-Halbester) die höchste Wirksamkeit (LC₅₀ = 0,004 μg/ml). Obwohl es noch nicht vollständig optimiert war, übertraf seine Wirksamkeit dennoch die aller Endderivate. Mechanistische biologische Studien ergaben ausgeprägte Neurotoxizitätssymptome, die auf eine Beeinträchtigung der cholinergen Funktion hindeuten. Molekulares Docking und Molekulardynamiksimulationen bestätigten diese Beobachtung und zeigten starke spezifische Wechselwirkungen mit Acetylcholinesterase (AChE) und dem nikotinischen Acetylcholinrezeptor (nAChR), was einen möglichen dualen Wirkmechanismus nahelegt. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestätigten zudem die günstigen elektronischen Eigenschaften und die Reaktivität der Wirkstoffe. Die strukturelle Vielfalt und die konstant hohe Wirksamkeit dieser Verbindungsklasse können das Risiko von Kreuzresistenzen verringern und Resistenzmanagementstrategien durch Wirkstoffrotation oder -kombination erleichtern. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Thiophen-Isochinolinon-Hybride eine vielversprechende Option für die Entwicklung von Larviziden der nächsten Generation darstellen, die auf neurophysiologische Signalwege von Insektenvektoren abzielen.
Mücken gehören zu den effektivsten Überträgern von Infektionskrankheiten. Sie verbreiten eine Vielzahl gefährlicher Krankheitserreger und stellen eine erhebliche Bedrohung für die globale öffentliche Gesundheit dar. Arten wie Culex pipiens, Aedes aegypti und Anopheles gambiae sind besonders dafür bekannt, Viren, Bakterien und Parasiten zu übertragen und jährlich Millionen von Infektionen und zahlreiche Todesfälle zu verursachen. So ist Culex pipiens beispielsweise ein wichtiger Überträger von Arboviren wie dem West-Nil-Virus und dem St.-Louis-Enzephalitis-Virus sowie von Parasitenkrankheiten wie der Vogelmalaria. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen zudem, dass Culex pipiens eine bedeutende Rolle bei der Übertragung schädlicher Bakterien wie Bacillus cereus und Staphylococcus warwickii spielt, die Lebensmittel kontaminieren und die öffentliche Gesundheit beeinträchtigen. Die hohe Anpassungsfähigkeit, Überlebensfähigkeit und Resistenz der Mücken gegenüber Bekämpfungsmethoden erschweren ihre Bekämpfung und stellen eine anhaltende Bedrohung dar.
Chemische Insektizide sind ein wichtiges Instrument zur Mückenbekämpfung, insbesondere bei Ausbrüchen von durch Mücken übertragenen Krankheiten. Verschiedene Insektizidklassen, darunter Pyrethroide, Organophosphate und Carbamate, werden häufig eingesetzt, um Mückenpopulationen und die Krankheitsübertragung zu reduzieren. Der weitverbreitete und langfristige Einsatz dieser Chemikalien hat jedoch zu schwerwiegenden Umwelt- und Gesundheitsproblemen geführt, darunter die Störung von Ökosystemen, schädliche Auswirkungen auf Nichtzielorganismen und die rasche Entwicklung von Insektizidresistenzen bei Mückenpopulationen.11,12,13,14Diese Resistenz verringert die Wirksamkeit vieler traditioneller Insektizide erheblich und unterstreicht die dringende Notwendigkeit innovativer chemischer Lösungen mit neuen Wirkmechanismen, um diesen sich entwickelnden Bedrohungen wirksam entgegenzuwirken.11,12,13,14Um diesen gravierenden Herausforderungen zu begegnen, setzen Forscher auf alternative Strategien wie biologische Schädlingsbekämpfung, Gentechnik und integriertes Vektormanagement (IVM). Diese Ansätze versprechen eine nachhaltige und langfristige Mückenbekämpfung. Bei Epidemien und Notfällen bleiben chemische Methoden jedoch für eine schnelle Reaktion unerlässlich.
Isochinolin-Alkaloide sind wichtige stickstoffhaltige heterocyclische Verbindungen, die im Pflanzenreich weit verbreitet sind, unter anderem in Familien wie Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae und Menispermaceae.30 Frühere Studien haben bestätigt, dass Isochinolin-Alkaloide vielfältige biologische Aktivitäten und Strukturmerkmale besitzen, darunter insektizide, antidiabetische, antitumorale, antimykotische, entzündungshemmende, antibakterielle, antiparasitäre, antioxidative, antivirale und neuroprotektive Wirkungen.
In dieser Studie lagen die χ²-Werte aller Verbindungen unterhalb des kritischen Schwellenwerts und die p-Werte über 0,05. Diese Ergebnisse bestätigen die Zuverlässigkeit der LC₅₀-Schätzungen und zeigen, dass die probabilistische Regression die beobachtete Dosis-Wirkungs-Beziehung effektiv beschreiben kann. Daher sind die auf Basis der aktivsten Verbindung (1a) berechneten LC₅₀-Werte und Toxizitätsindizes (TIs) hochgradig zuverlässig und eignen sich zum Vergleich toxikologischer Effekte.
Um die Wechselwirkungen von zwölf neu synthetisierten Thiophen-Isochinolinon-Derivaten und ihrer Vorstufe 1a mit zwei wichtigen neuronalen Zielstrukturen der Stechmücke – Acetylcholinesterase (AChE) und dem nikotinischen Acetylcholinrezeptor (nAChR) – zu untersuchen, führten wir Moleküldocking-Simulationen durch. Die Auswahl dieser Zielstrukturen erfolgte aufgrund neurotoxischer Symptome, die in Larvensterblichkeitstests beobachtet wurden und auf eine gestörte neuronale Signalübertragung hindeuten. Die strukturelle Ähnlichkeit dieser Verbindungen zu Organophosphaten und Neonicotinoiden untermauert die Wahl dieser Zielstrukturen zusätzlich, da Organophosphate und Neonicotinoide ihre toxische Wirkung durch Hemmung der AChE bzw. Aktivierung des nAChR entfalten.
Des Weiteren interagieren mehrere Verbindungen (darunter 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f und 7) mit SER280. SER280-Reste sind an der Formgebung der Kristallstruktur beteiligt und in der redopierten Konformation von BT7 konserviert. Diese Vielfalt an Interaktionsmodi unterstreicht die Anpassungsfähigkeit dieser Verbindungen im aktiven Zentrum, wobei SER280 und GLU359 unter Docking-Bedingungen potenziell als adaptive Ankerstellen fungieren. Die häufig beobachteten Wechselwirkungen zwischen synthetischen Derivaten und Schlüsselresten wie GLU359 und SER280, die Bestandteile der bekannten katalytischen Triade SER-HIS-GLU in der humanen Acetylcholinesterase (AChE) sind, stützen die Hypothese, dass diese Verbindungen durch Bindung an katalytisch wichtige Zentren eine starke Hemmwirkung auf AChE ausüben können.29,61,64
Bemerkenswerterweise zeigten Verbindung 6 und ihre Vorstufe 1a im Bioassay die stärkste Aktivität gegen Larven und wiesen die niedrigsten LC₅₀-Werte aller Verbindungen dieser Reihe auf. Auf molekularer Ebene interagiert Verbindung 6 entscheidend mit Chlorpyrifos an der GLU359-Bindungsstelle, während Verbindung 1a über eine Wasserstoffbrücke zu SER280 mit dem redotierten BT7 überlappt. Sowohl GLU359 als auch SER280 sind in der ursprünglichen kristallographischen Bindungskonformation von BT7 vorhanden und Bestandteile des konservierten katalytischen Tripletts der Acetylcholinesterase (SER–HIS–GLU). Dies unterstreicht die funktionelle Bedeutung dieser Wechselwirkungen für die Aufrechterhaltung der inhibitorischen Aktivität der Verbindungen (Abb. 10).
Die beobachtete Ähnlichkeit der Bindungsstellen zwischen BT7-Derivaten (einschließlich nativem und rekonstituiertem BT7) und Chlorpyrifos, insbesondere an für die katalytische Aktivität kritischen Resten, deutet stark auf einen gemeinsamen Hemmmechanismus dieser Verbindungen hin. Insgesamt bestätigen diese Ergebnisse das signifikante Potenzial von Thiophen-Isochinolinon-Derivaten als hochwirksame Acetylcholinesterase-Inhibitoren aufgrund ihrer konservierten und biologisch relevanten Wechselwirkungen.
Eine starke Korrelation zwischen den Ergebnissen des Moleküldockings und des Larvenbioassays bestätigt, dass Acetylcholinesterase (AChE) und der nikotinische Acetylcholinrezeptor (nAChR) die primären neurotoxischen Zielstrukturen der synthetisierten Thiophen-Isochinolinon-Derivate sind. Obwohl die Docking-Ergebnisse wichtige Informationen zur Rezeptor-Ligand-Affinität liefern, ist zu beachten, dass die Bindungsenergie allein nicht ausreicht, um die insektizide Wirksamkeit in vivo vollständig zu erklären. Unterschiede in den LC₅₀-Werten zwischen Verbindungen mit ähnlichen Docking-Eigenschaften können auf Faktoren wie metabolische Stabilität, Absorption, Bioverfügbarkeit und Verteilung in Insekten zurückzuführen sein.⁶⁰,⁶⁴Allerdings sprechen das rationale Strukturdesign, die hohe Rezeptoraffinität, die durch Computersimulationen ermittelt wurde, und die starke biologische Aktivität stark dafür, dass AChE und nAChRs die Hauptvermittler der beobachteten Neurotoxizität sind.
Zusammenfassend verfügen die synthetisierten Thiophen-Isochinolinon-Hybride über wichtige Struktur- und Funktionselemente, die weitgehend mit bekannten neuroaktiven Insektiziden kompatibel sind. Ihre Fähigkeit, effizient über komplementäre Interaktionsmechanismen an Acetylcholinesterase (AChE) und nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) zu binden, unterstreicht ihr Potenzial als Insektizide mit dualer Wirkung. Dieser duale Mechanismus erhöht nicht nur die insektizide Wirksamkeit, sondern bietet auch eine vielversprechende Strategie zur Überwindung bestehender Resistenzmechanismen. Dadurch sind diese Verbindungen vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung von Mückenbekämpfungsmitteln der nächsten Generation.
Molekulardynamik-Simulationen (MD-Simulationen) dienen der Validierung und Erweiterung von Ergebnissen des Molekulardockings und ermöglichen eine realistischere und zeitabhängige Bewertung von Ligand-Target-Interaktionen unter physiologisch relevanten Bedingungen. Obwohl Molekulardocking wertvolle Vorabinformationen zu potenziellen Bindungspositionen und Affinitäten liefern kann, handelt es sich um ein statisches Modell, das die Flexibilität des Rezeptors, die Dynamik des Lösungsmittels oder zeitliche Schwankungen der molekularen Interaktionen nicht berücksichtigen kann. Daher stellen MD-Simulationen eine wichtige komplementäre Methode dar, um die Stabilität von Komplexen, die Robustheit von Interaktionen und Konformationsänderungen von Liganden und Proteinen im Zeitverlauf zu untersuchen.60, 62, 71
Aufgrund ihrer überlegenen Bindungseigenschaften an Acetylcholinesterase (AChE) im Vergleich zum nikotinischen Acetylcholinrezeptor (nAChR) wählten wir das Ausgangsmolekül 1a (mit dem niedrigsten LC₅₀-Wert) und die aktivste Thiophen-Isochinolin-Verbindung 6 für Molekulardynamik-Simulationen (MD) aus. Ziel war es, zu untersuchen, ob ihre Bindungskonformation im aktiven Zentrum der AChE über 100 ns Simulationszeit stabil bleibt, und ihr Bindungsverhalten mit dem von Chlorpyrifos und dem rebound-kokristallisierten AChE-Inhibitor BT7 zu vergleichen.
Die Molekulardynamiksimulationen umfassten die mittlere quadratische Abweichung (RMSD) zur Beurteilung der Gesamtstabilität des Komplexes, die mittlere quadratische Abweichung der Fluktuationen (RMSF) zur Untersuchung der Flexibilität der Aminosäurereste sowie eine Ligand-Akzeptor-Interaktionsanalyse zur Bestimmung der Stabilität von Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophoben Kontakten und ionischen Wechselwirkungen (siehe Ergänzende Daten). Obwohl die RMSD- und RMSF-Werte für alle Liganden in einem stabilen Bereich lagen, was auf keine signifikanten Konformationsänderungen im AChE-Ligand-Komplex hindeutet (Abbildung 12), reichen diese Parameter allein nicht aus, um die Unterschiede in der Bindungsmasse der Verbindungen vollständig zu erklären.
Veröffentlichungsdatum: 15. Dezember 2025