Các bệnh do muỗi truyền vẫn là một vấn đề sức khỏe cộng đồng nghiêm trọng trên toàn cầu.Sự kháng thuốc ngày càng tăng của các vật trung gian truyền bệnh, chẳng hạn như muỗi Culex pipiens pallens, đối với các loại thuốc trừ sâu truyền thống càng làm trầm trọng thêm vấn đề này. Trong nghiên cứu này, một loạt các hợp chất lai thiophene-isoquinolinone mới đã được thiết kế, tổng hợp và đánh giá như những chất diệt ấu trùng tiềm năng. Trong số các hợp chất được tổng hợp, các dẫn xuất 5f, 6 và 7 đã thể hiện hoạt tính diệt ấu trùng đáng kể đối với ấu trùng muỗi Culex pipiens pallens với giá trị LC₅₀ lần lượt là 0,3, 0,1 và 1,85 μg/mL. Đáng chú ý, tất cả mười hai dẫn xuất thiophene-isoquinolinone đều thể hiện độc tính cao hơn đáng kể so với thuốc trừ sâu organophosphate tham chiếu chlorpyrifos (LC₅₀ = 293,8 μg/mL), khẳng định độc tính vượt trội của các hợp chất này. Điều thú vị là, chất trung gian tổng hợp 1a (một bán este thiophene) thể hiện hiệu lực cao nhất (LC₅₀ = 0,004 μg/mL), và mặc dù chưa được tối ưu hóa hoàn toàn, hiệu lực của nó vẫn vượt trội so với tất cả các dẫn xuất cuối cùng. Các nghiên cứu sinh học về cơ chế cho thấy các triệu chứng độc thần kinh mạnh mẽ, cho thấy chức năng cholinergic bị suy giảm. Mô phỏng ghép nối phân tử và động lực học phân tử đã xác nhận quan sát này, cho thấy sự tương tác đặc hiệu mạnh mẽ với acetylcholinesterase (AChE) và thụ thể acetylcholine nicotinic (nAChR), cho thấy một cơ chế tác động kép có thể xảy ra. Các tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT) đã xác nhận thêm các đặc tính điện tử thuận lợi và khả năng phản ứng của các hợp chất hoạt tính. Sự đa dạng về cấu trúc và hiệu lực cao ổn định của chuỗi hợp chất này có thể làm giảm nguy cơ kháng chéo và tạo điều kiện thuận lợi cho các chiến lược quản lý kháng thuốc thông qua việc xoay vòng hoặc kết hợp các hợp chất. Nhìn chung, những kết quả này cho thấy các hợp chất lai thiophene-isoquinolinone là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho việc phát triển thuốc diệt ấu trùng thế hệ tiếp theo nhắm vào các con đường sinh lý thần kinh của côn trùng truyền bệnh.
Muỗi là một trong những tác nhân truyền bệnh hiệu quả nhất, lây lan nhiều mầm bệnh nguy hiểm và gây ra mối đe dọa đáng kể đối với sức khỏe cộng đồng toàn cầu. Các loài như Culex pipiens, Aedes aegypti và Anopheles gambiae đặc biệt nổi tiếng với khả năng truyền virus, vi khuẩn và ký sinh trùng, gây ra hàng triệu ca nhiễm bệnh và nhiều ca tử vong mỗi năm. Ví dụ, Culex pipiens là tác nhân truyền bệnh chính của các loại arbovirus như virus West Nile và virus viêm não St. Louis, cũng như các bệnh ký sinh trùng như sốt rét ở gia cầm. Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng Culex pipiens đóng vai trò quan trọng trong việc truyền các vi khuẩn có hại như Bacillus cereus và Staphylococcus warwickii, gây ô nhiễm thực phẩm và làm trầm trọng thêm các vấn đề sức khỏe cộng đồng. Khả năng thích nghi cao, khả năng sống sót và khả năng kháng thuốc của muỗi khiến chúng khó kiểm soát và là mối đe dọa dai dẳng.
Thuốc trừ sâu hóa học là công cụ quan trọng trong việc kiểm soát muỗi, đặc biệt là trong các đợt bùng phát dịch bệnh do muỗi truyền. Nhiều loại thuốc trừ sâu, bao gồm pyrethroid, organophosphate và carbamate, được sử dụng rộng rãi để giảm quần thể muỗi và sự lây truyền bệnh. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi và lâu dài các hóa chất này đã dẫn đến những lo ngại nghiêm trọng về môi trường và sức khỏe cộng đồng, bao gồm sự phá vỡ hệ sinh thái, tác hại đến các loài không phải mục tiêu và sự phát triển nhanh chóng khả năng kháng thuốc trừ sâu ở quần thể muỗi.11, 12, 13, 14Khả năng kháng thuốc này làm giảm đáng kể hiệu quả của nhiều loại thuốc trừ sâu truyền thống, cho thấy nhu cầu cấp thiết về các giải pháp hóa học tiên tiến với cơ chế hoạt động mới để đối phó hiệu quả với những mối đe dọa đang ngày càng gia tăng này.11, 12, 13, 14Để giải quyết những thách thức nghiêm trọng này, các nhà nghiên cứu đang chuyển sang các chiến lược thay thế như kiểm soát sinh học, kỹ thuật di truyền và quản lý vector tổng hợp (IVM). Những phương pháp này cho thấy triển vọng trong việc kiểm soát muỗi bền vững và lâu dài. Tuy nhiên, trong các đợt dịch bệnh và tình huống khẩn cấp, các phương pháp hóa học vẫn rất quan trọng để ứng phó nhanh chóng.
Các ancaloit isoquinoline là những hợp chất dị vòng chứa nitơ quan trọng, phân bố rộng rãi trong giới thực vật, bao gồm các họ như Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae và Menispermaceae.30 Các nghiên cứu trước đây đã xác nhận rằng ancaloit isoquinoline sở hữu nhiều hoạt tính sinh học và đặc điểm cấu trúc đa dạng, bao gồm tác dụng diệt côn trùng, chống tiểu đường, chống khối u, chống nấm, chống viêm, kháng khuẩn, chống ký sinh trùng, chống oxy hóa, kháng virus và bảo vệ thần kinh.
Trong nghiên cứu này, giá trị χ² của tất cả các hợp chất đều dưới ngưỡng tới hạn và giá trị p đều trên 0,05. Những kết quả này khẳng định độ tin cậy của ước tính LC₅₀ và chứng minh rằng hồi quy xác suất có thể mô tả hiệu quả mối quan hệ liều lượng-đáp ứng quan sát được. Do đó, giá trị LC₅₀ và chỉ số độc tính (TI) được tính toán dựa trên hợp chất hoạt động mạnh nhất (1a) có độ tin cậy cao và phù hợp để so sánh các tác động độc hại.
Để đánh giá sự tương tác của 12 dẫn xuất thiophene-isoquinolinone mới được tổng hợp và tiền chất 1a của chúng với hai mục tiêu thần kinh quan trọng của muỗi—acetylcholinesterase (AChE) và thụ thể acetylcholine nicotinic (nAChR)—chúng tôi đã tiến hành mô hình ghép nối phân tử. Các mục tiêu này được lựa chọn dựa trên các triệu chứng độc thần kinh quan sát được trong các thử nghiệm tử vong ở ấu trùng, cho thấy sự suy giảm tín hiệu thần kinh. Hơn nữa, sự tương đồng về cấu trúc của các hợp chất này với các hợp chất organophosphate và neonicotinoid càng củng cố thêm sự lựa chọn ưu tiên các mục tiêu này, vì organophosphate và neonicotinoid gây ra tác dụng độc hại bằng cách ức chế AChE và kích hoạt nAChR, tương ứng.
Hơn nữa, một số hợp chất (bao gồm 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f và 7) tương tác với SER280. Các gốc SER280 tham gia vào việc định hình cấu trúc tinh thể và được bảo tồn trong cấu hình tái cấu trúc của BT7. Sự đa dạng về các phương thức tương tác này làm nổi bật khả năng thích ứng của các hợp chất này trong vị trí hoạt động, với SER280 và GLU359 có khả năng đóng vai trò là các vị trí neo thích ứng trong điều kiện ghép nối. Các tương tác thường xuyên được quan sát giữa các dẫn xuất tổng hợp và các gốc quan trọng như GLU359 và SER280, là các thành phần của bộ ba xúc tác SER-HIS-GLU đã biết trong acetylcholinesterase (AChE) của người, càng củng cố giả thuyết rằng các hợp chất này có thể gây ra tác dụng ức chế mạnh mẽ đối với AChE bằng cách liên kết với các vị trí quan trọng về mặt xúc tác.29,61,64
Đáng chú ý, hợp chất 6 và tiền chất 1a của nó thể hiện hoạt tính mạnh nhất chống lại ấu trùng trong thử nghiệm sinh học, cho thấy giá trị LC₅₀ thấp nhất trong số các hợp chất trong chuỗi. Ở cấp độ phân tử, hợp chất 6 thể hiện tương tác quan trọng với chlorpyrifos tại vị trí GLU359, trong khi hợp chất 1a chồng chéo với BT7 được tái tạo thông qua liên kết hydro với SER280. Cả GLU359 và SER280 đều có mặt trong cấu hình liên kết tinh thể ban đầu của BT7 và là thành phần của bộ ba xúc tác được bảo tồn của acetylcholinesterase (SER–HIS–GLU), làm nổi bật ý nghĩa chức năng của các tương tác này trong việc duy trì hoạt tính ức chế của các hợp chất (Hình 10).
Sự tương đồng được quan sát thấy ở các vị trí liên kết giữa các dẫn xuất BT7 (bao gồm BT7 tự nhiên và BT7 tái cấu trúc) và chlorpyrifos, đặc biệt là tại các dư lượng quan trọng đối với hoạt tính xúc tác, cho thấy mạnh mẽ một cơ chế ức chế chung giữa các hợp chất này. Nhìn chung, những kết quả này khẳng định tiềm năng đáng kể của các dẫn xuất thiophene-isoquinolinone như là các chất ức chế acetylcholinesterase mạnh mẽ nhờ các tương tác được bảo tồn và có liên quan đến sinh học của chúng.
Mối tương quan mạnh mẽ giữa kết quả ghép nối phân tử và kết quả thử nghiệm sinh học trên ấu trùng càng khẳng định rằng acetylcholinesterase (AChE) và thụ thể acetylcholine nicotinic (nAChR) là các mục tiêu độc thần kinh chính của các dẫn xuất thiophene-isoquinolinone được tổng hợp. Mặc dù kết quả ghép nối cung cấp thông tin quan trọng về ái lực giữa thụ thể và phối tử, nhưng cần nhận ra rằng năng lượng liên kết đơn thuần là không đủ để giải thích đầy đủ hiệu quả diệt côn trùng in vivo. Sự khác biệt về giá trị LC₅₀ giữa các hợp chất có đặc điểm ghép nối tương tự có thể là do các yếu tố như độ ổn định chuyển hóa, hấp thụ, sinh khả dụng và phân bố trong côn trùng.⁶⁰,⁶⁴Tuy nhiên, thiết kế cấu trúc hợp lý, ái lực thụ thể cao được mô phỏng bằng máy tính và hoạt tính sinh học mạnh mẽ ủng hộ mạnh mẽ quan điểm cho rằng AChE và nAChR là những chất trung gian chính gây ra độc tính thần kinh đã quan sát được.
Tóm lại, các hợp chất lai thiophene-isoquinolinone tổng hợp sở hữu các yếu tố cấu trúc và chức năng quan trọng phần lớn tương thích với các thuốc trừ sâu tác động lên hệ thần kinh đã biết. Khả năng liên kết hiệu quả với acetylcholinesterase (AChE) và thụ thể acetylcholine nicotinic (nAChR) thông qua các cơ chế tương tác bổ sung cho thấy tiềm năng của chúng như là thuốc trừ sâu tác động kép. Cơ chế kép này không chỉ tăng cường hiệu quả diệt côn trùng mà còn cung cấp một chiến lược đầy hứa hẹn để khắc phục các cơ chế kháng thuốc hiện có, khiến các hợp chất này trở thành ứng cử viên tiềm năng cho việc phát triển các tác nhân kiểm soát muỗi thế hệ tiếp theo.
Mô phỏng động lực học phân tử (MD) được sử dụng để xác thực và mở rộng kết quả ghép nối phân tử, cung cấp đánh giá thực tế hơn và phụ thuộc vào thời gian về tương tác giữa phối tử và mục tiêu trong điều kiện sinh lý thực tế. Mặc dù ghép nối phân tử có thể cung cấp thông tin sơ bộ có giá trị về các vị trí liên kết và ái lực tiềm năng, nhưng nó là một mô hình tĩnh và không thể tính đến tính linh hoạt của thụ thể, động lực học dung môi hoặc sự biến động theo thời gian trong tương tác phân tử. Do đó, mô phỏng MD là một phương pháp bổ sung quan trọng để đánh giá tính ổn định của phức hợp, độ bền tương tác và sự thay đổi cấu hình của phối tử và protein theo thời gian.60,62,71
Dựa trên đặc tính liên kết vượt trội của chúng với acetylcholinesterase (AChE) so với thụ thể acetylcholine nicotinic (nAChR), chúng tôi đã chọn phân tử gốc 1a (với giá trị LC₅₀ thấp nhất) và hợp chất thiophene-isoquinoline hoạt động mạnh nhất 6 để thực hiện mô phỏng động lực học phân tử (MD). Mục tiêu là để đánh giá xem cấu hình liên kết của chúng trong vị trí hoạt động của AChE có ổn định trong hơn 100 ns mô phỏng hay không và so sánh hành vi liên kết của chúng với chlorpyrifos và chất ức chế AChE BT7 được kết tinh đồng thời.
Mô phỏng động lực học phân tử bao gồm độ lệch chuẩn bình phương trung bình (RMSD) để đánh giá độ ổn định tổng thể của phức hợp; độ lệch chuẩn bình phương trung bình của dao động (RMSF) để nghiên cứu tính linh hoạt của dư lượng; và phân tích tương tác phối tử-chất nhận để xác định độ ổn định của liên kết hydro, tiếp xúc kỵ nước và tương tác ion (Dữ liệu bổ sung). Mặc dù các giá trị RMSD và RMSF cho tất cả các phối tử vẫn nằm trong phạm vi ổn định, cho thấy không có thay đổi cấu hình đáng kể nào trong phức hợp AChE-phối tử (Hình 12), nhưng chỉ riêng các thông số này là không đủ để giải thích đầy đủ sự khác biệt về khối lượng liên kết giữa các hợp chất.
Thời gian đăng bài: 15/12/2025