As doenças transmitidas por mosquitos continuam sendo um grave problema de saúde pública global.A crescente resistência de vetores de doenças, como Culex pipiens pallens, aos inseticidas tradicionais agrava ainda mais esse problema. Neste estudo, uma série de novos híbridos de tiofeno-isoquinolinona foram projetados, sintetizados e avaliados como potenciais larvicidas. Entre os compostos sintetizados, os derivados 5f, 6 e 7 demonstraram atividade larvicida significativa contra larvas de Culex pipiens pallens, com valores de CL₅₀ de 0,3, 0,1 e 1,85 μg/mL, respectivamente. Notavelmente, todos os doze derivados de tiofeno-isoquinolinona demonstraram toxicidade significativamente maior do que o inseticida organofosforado de referência clorpirifós (CL₅₀ = 293,8 μg/mL), confirmando a toxicidade superior desses compostos. Curiosamente, o intermediário sintético 1a (um semiester de tiofeno) exibiu a maior potência (CL₅₀ = 0,004 μg/mL) e, embora ainda não totalmente otimizado, sua potência superou a de todos os derivados finais. Estudos biológicos mecanísticos revelaram sintomas robustos de neurotoxicidade, sugerindo comprometimento da função colinérgica. Simulações de acoplamento molecular e dinâmica molecular confirmaram essa observação, revelando fortes interações específicas com a acetilcolinesterase (AChE) e o receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR), sugerindo um possível mecanismo de dupla ação. Cálculos de teoria do funcional da densidade (DFT) confirmaram ainda as propriedades eletrônicas favoráveis e a reatividade dos compostos ativos. A diversidade estrutural e a potência consistentemente alta desta série de compostos podem reduzir o risco de resistência cruzada e facilitar estratégias de manejo da resistência por meio de rotação ou combinação de compostos. De forma geral, esses resultados indicam que os híbridos de tiofeno-isoquinolinona são uma opção promissora para o desenvolvimento de larvicidas de próxima geração que atuam nas vias neurofisiológicas de insetos vetores.
Os mosquitos estão entre os vetores mais eficazes de doenças infecciosas, disseminando uma ampla gama de patógenos perigosos e representando uma ameaça significativa à saúde pública global. Espécies como Culex pipiens, Aedes aegypti e Anopheles gambiae são particularmente conhecidas por transmitir vírus, bactérias e parasitas, causando milhões de infecções e inúmeras mortes anualmente. Por exemplo, Culex pipiens é um importante vetor de arbovírus, como o vírus do Nilo Ocidental e o vírus da encefalite de St. Louis, bem como de doenças parasitárias como a malária aviária. Pesquisas recentes também demonstraram que Culex pipiens desempenha um papel significativo na transmissão de bactérias nocivas, como Bacillus cereus e Staphylococcus warwickii, que contaminam alimentos e agravam problemas de saúde pública. A alta capacidade de adaptação, sobrevivência e resistência dos mosquitos aos métodos de controle os tornam difíceis de controlar e representam uma ameaça persistente.
Os inseticidas químicos são uma ferramenta fundamental no controle de mosquitos, principalmente durante surtos de doenças transmitidas por esses insetos. Diversas classes de inseticidas, incluindo piretroides, organofosforados e carbamatos, são amplamente utilizadas para reduzir as populações de mosquitos e a transmissão de doenças. No entanto, o uso disseminado e prolongado desses produtos químicos tem gerado sérias preocupações ambientais e de saúde pública, incluindo a perturbação de ecossistemas, efeitos nocivos em espécies não-alvo e o rápido desenvolvimento de resistência a inseticidas em populações de mosquitos.11, 12, 13, 14Essa resistência reduz significativamente a eficácia de muitos inseticidas tradicionais, destacando a necessidade urgente de soluções químicas inovadoras com novos mecanismos de ação para combater eficazmente essas ameaças em constante evolução.11, 12, 13, 14Para enfrentar esses sérios desafios, os pesquisadores estão recorrendo a estratégias alternativas, como o controle biológico, a engenharia genética e o manejo integrado de vetores (MIV). Essas abordagens demonstram potencial para o controle sustentável e de longo prazo de mosquitos. No entanto, durante epidemias e emergências, os métodos químicos continuam sendo cruciais para uma resposta rápida.
Os alcaloides isoquinolínicos são importantes compostos heterocíclicos nitrogenados amplamente distribuídos no reino vegetal, incluindo famílias como Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae e Menispermaceae.30 Estudos anteriores confirmaram que os alcaloides isoquinolínicos possuem diversas atividades biológicas e características estruturais, incluindo efeitos inseticidas, antidiabéticos, antitumorais, antifúngicos, anti-inflamatórios, antibacterianos, antiparasitários, antioxidantes, antivirais e neuroprotetores.
Neste estudo, os valores de χ² para todos os compostos ficaram abaixo do limiar crítico e os valores de p foram superiores a 0,05. Esses resultados confirmam a confiabilidade das estimativas de LC₅₀ e demonstram que a regressão probabilística pode descrever eficazmente a relação dose-resposta observada. Portanto, os valores de LC₅₀ e os índices de toxicidade (ITs) calculados com base no composto mais ativo (1a) são altamente confiáveis e adequados para comparar efeitos toxicológicos.
Para avaliar as interações de 12 derivados de tiofeno-isoquinolinona recém-sintetizados e seu precursor 1a com dois alvos neuronais chave em mosquitos — a acetilcolinesterase (AChE) e o receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR) — realizamos modelagem de acoplamento molecular. Esses alvos foram selecionados com base nos sintomas neurotóxicos observados em ensaios de mortalidade larval, indicando comprometimento da sinalização neuronal. Além disso, a similaridade estrutural desses compostos com organofosforados e neonicotinoides reforça a escolha preferencial desses alvos, visto que organofosforados e neonicotinoides exercem seus efeitos tóxicos inibindo a AChE e ativando o nAChR, respectivamente.
Além disso, vários compostos (incluindo 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f e 7) interagem com SER280. Os resíduos de SER280 estão envolvidos na formação de conformações da estrutura cristalina e são conservados na conformação redopada de BT7. Essa diversidade de modos de interação destaca a adaptabilidade desses compostos no sítio ativo, com SER280 e GLU359 potencialmente servindo como sítios de ancoragem adaptativos sob condições de acoplamento molecular. As interações frequentes observadas entre derivados sintéticos e resíduos-chave como GLU359 e SER280, que são componentes da tríade catalítica SER-HIS-GLU conhecida na acetilcolinesterase humana (AChE), reforçam ainda mais a hipótese de que esses compostos podem exercer efeitos inibitórios potentes sobre a AChE por meio da ligação a sítios cataliticamente importantes.29,61,64
Notavelmente, o composto 6 e seu precursor 1a demonstraram a atividade mais potente contra larvas no bioensaio, apresentando os menores valores de LC₅₀ entre os compostos da série. Em nível molecular, o composto 6 exibe uma interação crítica com o clorpirifós no sítio GLU359, enquanto o composto 1a interage com o BT7 redopulado por meio de uma ligação de hidrogênio com o SER280. Tanto o GLU359 quanto o SER280 estão presentes na conformação de ligação cristalográfica original do BT7 e são componentes do tripleto catalítico conservado da acetilcolinesterase (SER–HIS–GLU), destacando a importância funcional dessas interações na manutenção da atividade inibitória dos compostos (Fig. 10).
A similaridade observada nos sítios de ligação entre os derivados de BT7 (incluindo BT7 nativo e reconstituído) e o clorpirifós, particularmente em resíduos críticos para a atividade catalítica, sugere fortemente um mecanismo comum de inibição entre esses compostos. No geral, esses resultados confirmam o significativo potencial dos derivados de tiofeno-isoquinolinona como inibidores altamente potentes da acetilcolinesterase, devido às suas interações conservadas e biologicamente relevantes.
Uma forte correlação entre os resultados do acoplamento molecular e os resultados do bioensaio larval confirma ainda que a acetilcolinesterase (AChE) e o receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR) são os principais alvos neurotóxicos dos derivados de tiofeno-isoquinolinona sintetizados. Embora os resultados do acoplamento forneçam informações importantes sobre a afinidade receptor-ligante, deve-se reconhecer que a energia de ligação por si só é insuficiente para explicar completamente a eficácia inseticida in vivo. Diferenças nos valores de LC₅₀ entre compostos com características de acoplamento semelhantes podem ser devidas a fatores como estabilidade metabólica, absorção, biodisponibilidade e distribuição em insetos.⁶⁰,⁶⁴No entanto, o projeto estrutural racional, a alta afinidade do receptor simulada por simulação computacional e a potente atividade biológica apoiam fortemente a visão de que a AChE e os nAChRs são os principais mediadores da neurotoxicidade observada.
Em conclusão, os híbridos de tiofeno-isoquinolinona sintetizados possuem elementos estruturais e funcionais essenciais, em grande parte compatíveis com inseticidas neuroativos conhecidos. Sua capacidade de se ligarem eficientemente à acetilcolinesterase (AChE) e aos receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChRs) por meio de mecanismos de interação complementares destaca seu potencial como inseticidas de dupla ação. Esse mecanismo duplo não apenas aumenta a eficácia inseticida, mas também oferece uma estratégia promissora para superar os mecanismos de resistência existentes, tornando esses compostos candidatos promissores para o desenvolvimento de agentes de controle de mosquitos de próxima geração.
Simulações de dinâmica molecular (DM) são usadas para validar e ampliar os resultados de acoplamento molecular, fornecendo uma avaliação mais realista e dependente do tempo das interações ligante-alvo em condições fisiologicamente realistas. Embora o acoplamento molecular possa fornecer informações preliminares valiosas sobre potenciais posições e afinidades de ligação, trata-se de um modelo estático que não leva em consideração a flexibilidade do receptor, a dinâmica do solvente ou as flutuações temporais nas interações moleculares. Portanto, as simulações de DM são um importante método complementar para avaliar a estabilidade do complexo, a robustez da interação e as mudanças conformacionais em ligantes e proteínas ao longo do tempo.60,62,71
Com base em suas propriedades de ligação superiores à acetilcolinesterase (AChE) em comparação com o receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR), selecionamos a molécula original 1a (com o menor valor de LC₅₀) e o composto tiofeno-isoquinolina mais ativo 6 para simulações de dinâmica molecular (DM). O objetivo foi avaliar se a conformação de ligação desses compostos no sítio ativo da AChE permanecia estável ao longo de 100 ns de simulação e comparar seu comportamento de ligação com o do clorpirifós e do inibidor de AChE cocristalizado BT7.
As simulações de dinâmica molecular incluíram o desvio quadrático médio (RMSD) para avaliar a estabilidade geral do complexo; o desvio quadrático médio das flutuações (RMSF) para estudar a flexibilidade dos resíduos; e a análise da interação ligante-aceitador para determinar a estabilidade das ligações de hidrogênio, contatos hidrofóbicos e interações iônicas (Dados Suplementares). Embora os valores de RMSD e RMSF para todos os ligantes tenham permanecido dentro de uma faixa estável, indicando que não houve alterações conformacionais significativas no complexo AChE-ligante (Figura 12), esses parâmetros isoladamente são insuficientes para explicar completamente as diferenças na massa de ligação entre os compostos.
Data de publicação: 15 de dezembro de 2025