नवीन थायोफीन-आयसोक्विनोलीन कीटोन संकरित संयुगांच्या संश्लेषणाचे संगणकीय मॉडेलिंग आणि क्युलेक्स पिपियन्स पॅलेन्सच्या अळ्यांच्या नियंत्रणासाठी त्यांची संभाव्य कीटकनाशके.

       डासांमुळे होणारे आजार ही एक गंभीर जागतिक सार्वजनिक आरोग्य समस्या आहे.क्युलेक्स पिपियन्स पॅलेन्स सारख्या रोगवाहक कीटकांमध्ये पारंपरिक कीटकनाशकांना वाढणारा प्रतिकार ही समस्या अधिकच गंभीर करतो. या अभ्यासात, नवीन थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन संकरित संयुगांची एक मालिका संभाव्य अळीनाशक म्हणून तयार करण्यात आली, संश्लेषित करण्यात आली आणि तिचे मूल्यांकन करण्यात आले. संश्लेषित संयुगांपैकी, डेरिव्हेटिव्ह्ज 5f, 6, आणि 7 यांनी क्युलेक्स पिपियन्स पॅलेन्सच्या अळ्यांविरुद्ध अनुक्रमे 0.3, 0.1, आणि 1.85 μg/mL च्या LC₅₀ मूल्यांसह लक्षणीय अळीनाशक क्रियाशीलता दर्शविली. विशेष म्हणजे, सर्व बारा थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन डेरिव्हेटिव्ह्जनी संदर्भ ऑर्गनोफॉस्फेट कीटकनाशक क्लोरपायरीफॉस (LC₅₀ = 293.8 μg/mL) पेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त विषारीपणा दर्शविला, ज्यामुळे या संयुगांच्या श्रेष्ठ विषारीपणाची पुष्टी झाली. विशेष म्हणजे, संश्लेषित मध्यवर्ती 1a (एक थायोफीन सेमीएस्टर) ने सर्वाधिक सामर्थ्य (LC₅₀ = 0.004 μg/mL) दर्शवले, आणि जरी ते अद्याप पूर्णपणे अनुकूलित नसले तरी, त्याचे सामर्थ्य सर्व अंतिम डेरिव्हेटिव्हपेक्षा जास्त होते. क्रियाविधी जैविक अभ्यासातून तीव्र न्यूरोटॉक्सिसिटीची लक्षणे दिसून आली, ज्यामुळे कोलिनर्जिक कार्यात बिघाड झाल्याचे सूचित होते. मॉलिक्युलर डॉकिंग आणि मॉलिक्युलर डायनॅमिक्स सिम्युलेशनने या निरीक्षणाची पुष्टी केली, ज्यात ॲसिटिलकोलिनस्टेरेज (AChE) आणि निकोटिनिक ॲसिटिलकोलिन रिसेप्टर (nAChR) सोबत तीव्र विशिष्ट आंतरक्रिया दिसून आल्या, ज्यामुळे संभाव्य दुहेरी-क्रिया यंत्रणेचे सूचन होते. डेन्सिटी फंक्शनल थिअरी (DFT) गणनेने सक्रिय संयुगांचे अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म आणि अभिक्रियाशीलता यांची अधिक पुष्टी केली. या संयुगांच्या मालिकेतील संरचनात्मक विविधता आणि सातत्यपूर्ण उच्च सामर्थ्य क्रॉस-रेझिस्टन्सचा धोका कमी करू शकते आणि संयुगांच्या रोटेशन किंवा संयोजनाद्वारे रेझिस्टन्स व्यवस्थापन धोरणांना सुलभ करू शकते. एकूणच, हे परिणाम सूचित करतात की थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन हायब्रीड्स हे कीटक वाहकांच्या न्यूरोफिजिओलॉजिकल मार्गांना लक्ष्य करणाऱ्या पुढील पिढीतील लार्व्हिसाइड्सच्या विकासासाठी एक आशादायक पर्याय आहेत.
डास हे संसर्गजन्य रोगांचे सर्वात प्रभावी वाहक आहेत, जे विविध प्रकारचे धोकादायक रोगजंतू पसरवतात आणि जागतिक सार्वजनिक आरोग्यासाठी एक मोठा धोका निर्माण करतात. क्युलेक्स पिपियन्स, एडीस इजिप्टी आणि ॲनोफिलीस गॅम्बिया यांसारख्या प्रजाती विशेषतः विषाणू, जीवाणू आणि परजीवी प्रसारित करण्यासाठी ओळखल्या जातात, ज्यामुळे दरवर्षी लाखो लोकांना संसर्ग होतो आणि असंख्य मृत्यू होतात. उदाहरणार्थ, क्युलेक्स पिपियन्स हा वेस्ट नाईल व्हायरस आणि सेंट लुईस एन्सेफलायटीस व्हायरस यांसारख्या आर्बोव्हायरसचा, तसेच एव्हियन मलेरियासारख्या परजीवी रोगांचा एक प्रमुख वाहक आहे. अलीकडील संशोधनात असेही दिसून आले आहे की, क्युलेक्स पिपियन्स हा बॅसिलस सेरियस आणि स्टॅफिलोकोकस वॉर्विकी यांसारख्या हानिकारक जीवाणूंच्या वाहकतेमध्ये आणि प्रसारामध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतो, जे अन्न दूषित करतात आणि सार्वजनिक आरोग्याच्या समस्या अधिक गंभीर करतात. डासांची उच्च अनुकूलनक्षमता, जगण्याची क्षमता आणि नियंत्रण पद्धतींना असलेला प्रतिकार यामुळे त्यांना नियंत्रित करणे कठीण होते आणि ते एक सततचा धोका निर्माण करतात.
डासांच्या नियंत्रणामध्ये रासायनिक कीटकनाशके हे एक महत्त्वाचे साधन आहे, विशेषतः डासांमुळे पसरणाऱ्या रोगांच्या प्रादुर्भावाच्या वेळी. डासांची संख्या आणि रोगप्रसार कमी करण्यासाठी पायरेथ्रॉइड्स, ऑर्गनोफॉस्फेट्स आणि कार्बामेट्स यांसारख्या कीटकनाशकांच्या विविध वर्गांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. तथापि, या रसायनांच्या व्यापक आणि दीर्घकालीन वापरामुळे परिसंस्थेचा ऱ्हास, लक्ष्य नसलेल्या प्रजातींवर होणारे हानिकारक परिणाम आणि डासांमध्ये कीटकनाशक प्रतिकारशक्तीचा झपाट्याने विकास यांसारख्या गंभीर पर्यावरणीय आणि सार्वजनिक आरोग्य समस्या निर्माण झाल्या आहेत.^{११, १२, १३, १४}या प्रतिकारामुळे अनेक पारंपरिक कीटकनाशकांची परिणामकारकता लक्षणीयरीत्या कमी होते, त्यामुळे या विकसित होत असलेल्या धोक्यांचा प्रभावीपणे सामना करण्यासाठी नवीन कार्यप्रणाली असलेल्या नाविन्यपूर्ण रासायनिक उपायांची तातडीची गरज अधोरेखित होते.^{११, १२, १३, १४}या गंभीर आव्हानांना तोंड देण्यासाठी, संशोधक जैविक नियंत्रण, जनुकीय अभियांत्रिकी आणि एकात्मिक कीटक नियंत्रण (IVM) यांसारख्या पर्यायी धोरणांकडे वळत आहेत. हे दृष्टिकोन शाश्वत आणि दीर्घकालीन डास नियंत्रणासाठी आश्वासक ठरत आहेत. तथापि, साथीच्या रोगांच्या आणि आणीबाणीच्या काळात, जलद प्रतिसादासाठी रासायनिक पद्धतीच महत्त्वपूर्ण ठरतात.
आयसोक्विनोलिन अल्कलॉइड्स ही नायट्रोजनयुक्त महत्त्वाची विषमचक्रीय संयुगे आहेत जी वनस्पती सृष्टीत, Amaryllidaceae, Rubiaceae, Magnoliaceae, Papaveraceae, Berberidaceae, आणि Menispermaceae यांसारख्या कुळांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर आढळतात.30 मागील अभ्यासांनी पुष्टी केली आहे की आयसोक्विनोलिन अल्कलॉइड्समध्ये कीटकनाशक, मधुमेहविरोधी, कर्करोगविरोधी, बुरशीविरोधी, दाहविरोधी, जीवाणूविरोधी, परजीवीविरोधी, अँटीऑक्सिडंट, विषाणूविरोधी आणि मज्जासंस्था संरक्षक प्रभावांसह विविध जैविक क्रिया आणि संरचनात्मक वैशिष्ट्ये आहेत.
या अभ्यासात, सर्व संयुगांसाठी χ² मूल्ये क्रांतिक मर्यादेपेक्षा कमी होती आणि p मूल्ये 0.05 पेक्षा जास्त होती. हे परिणाम LC₅₀ अंदाजांची विश्वसनीयता सिद्ध करतात आणि हे दर्शवतात की संभाव्य प्रतिगमन (probabilistic regression) निरीक्षित मात्रा-प्रतिसाद संबंधाचे (dose-response relationship) प्रभावीपणे वर्णन करू शकते. त्यामुळे, सर्वात सक्रिय संयुग (1a) वर आधारित गणना केलेली LC₅₀ मूल्ये आणि विषारीपणा निर्देशांक (TIs) अत्यंत विश्वसनीय आहेत आणि विषारी परिणामांची तुलना करण्यासाठी योग्य आहेत.
नव्याने संश्लेषित केलेल्या १२ थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन डेरिव्हेटिव्ह्ज आणि त्यांच्या पूर्वसूचक १अ यांच्या, डासांच्या दोन प्रमुख न्यूरॉनल लक्ष्यांसोबत—ॲसिटिलकोलिनस्टेरेज (AChE) आणि निकोटिनिक ॲसिटिलकोलिन रिसेप्टर (nAChR)—होणाऱ्या आंतरक्रियांचे मूल्यांकन करण्यासाठी, आम्ही मॉलिक्युलर डॉकिंग मॉडेलिंग केले. लार्व्हल डेथ एसेसमध्ये (अळ्यांच्या मृत्यूच्या चाचण्यांमध्ये) दिसून आलेल्या न्यूरोटॉक्सिक लक्षणांच्या आधारावर ही लक्ष्ये निवडण्यात आली, जी न्यूरॉनल सिग्नलिंगमधील बिघाड दर्शवतात. शिवाय, या संयुगांचे ऑर्गनोफॉस्फेट्स आणि निओनिकोटिनॉइड्स यांच्याशी असलेले संरचनात्मक साम्य या लक्ष्यांच्या पसंतीच्या निवडीला अधिक पुष्टी देते, कारण ऑर्गनोफॉस्फेट्स आणि निओनिकोटिनॉइड्स अनुक्रमे AChE ला अवरोधित करून आणि nAChR ला सक्रिय करून त्यांचे विषारी परिणाम घडवतात.
शिवाय, अनेक संयुगे (ज्यात 1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f, आणि 7 यांचा समावेश आहे) SER280 शी आंतरक्रिया करतात. SER280 चे अवशेष स्फटिक संरचनेची रूपरेषा तयार करण्यात गुंतलेले असतात आणि BT7 च्या रेडोपेटेड रूपरेषेत संरक्षित असतात. आंतरक्रियेच्या पद्धतींमधील ही विविधता सक्रिय स्थळामध्ये या संयुगांची अनुकूलनक्षमता अधोरेखित करते, ज्यात SER280 आणि GLU359 डॉकिंगच्या परिस्थितीत संभाव्यतः अनुकूल अँकर स्थळे म्हणून काम करतात. मानवी ॲसिटिलकोलिनस्टेरेज (AChE) मधील ज्ञात SER-HIS-GLU उत्प्रेरक त्रिकुटाचे घटक असलेल्या GLU359 आणि SER280 सारख्या प्रमुख अवशेषांसोबत संश्लेषित व्युत्पन्नांमध्ये वारंवार आढळणाऱ्या आंतरक्रिया, या गृहीतकाला अधिक पुष्टी देतात की ही संयुगे उत्प्रेरकीय दृष्ट्या महत्त्वाच्या स्थळांना बांधून AChE वर प्रभावी प्रतिबंधात्मक परिणाम करू शकतात.^{२९,६१,६४}
विशेष म्हणजे, संयुग ६ आणि त्याचे पूर्वसूचक १अ यांनी जैवचाचणीमध्ये अळ्यांविरुद्ध सर्वात प्रभावी क्रियाशीलता दर्शविली, आणि या मालिकेतील संयुगांमध्ये सर्वात कमी LC₅₀ मूल्ये प्रदर्शित केली. आण्विक पातळीवर, संयुग ६ हे GLU359 स्थानी क्लोरपायरीफॉससोबत एक महत्त्वपूर्ण आंतरक्रिया दर्शवते, तर संयुग १अ हे SER280 सोबत हायड्रोजन बंधाद्वारे पुनर्-डोप केलेल्या BT7 सोबत आच्छादित होते. GLU359 आणि SER280 दोन्ही BT7 च्या मूळ क्रिस्टलोग्राफिक बंधन संरचनेत उपस्थित आहेत आणि ॲसिटिलकोलिनेस्टरेजच्या (SER–HIS–GLU) संरक्षित उत्प्रेरक त्रिकुटाचे घटक आहेत, जे संयुगांची प्रतिबंधात्मक क्रियाशीलता टिकवून ठेवण्यात या आंतरक्रियांचे कार्यात्मक महत्त्व अधोरेखित करते (आकृती १०).
बीटी७ डेरिव्हेटिव्ह्ज (मूळ आणि पुनर्रचित बीटी७ सह) आणि क्लोरपायरीफॉस यांच्या बंधन स्थळांमध्ये आढळणारे साम्य, विशेषतः उत्प्रेरक कार्यासाठी महत्त्वपूर्ण असलेल्या अवशेषांवर, या संयुगांमध्ये प्रतिबंधाची एक समान यंत्रणा असल्याचे ठामपणे सूचित करते. एकंदरीत, हे परिणाम त्यांच्या संरक्षित आणि जैविकदृष्ट्या संबंधित आंतरक्रियांमुळे, थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन डेरिव्हेटिव्ह्जची अत्यंत प्रभावी ॲसिटिलकोलिनस्टेरेज प्रतिबंधक म्हणून असलेली लक्षणीय क्षमता सिद्ध करतात.
मॉलिक्युलर डॉकिंगचे परिणाम आणि लार्वल बायोएसेच्या परिणामांमधील मजबूत सहसंबंध हे आणखी पुष्टी करतो की ॲसिटिलकोलिनस्टेरेज (AChE) आणि निकोटिनिक ॲसिटिलकोलिन रिसेप्टर (nAChR) हे संश्लेषित थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन डेरिव्हेटिव्हजचे प्राथमिक न्यूरोटॉक्सिक लक्ष्य आहेत. जरी डॉकिंगचे परिणाम रिसेप्टर-लिगँड ॲफिनिटीबद्दल महत्त्वाची माहिती देत ​​असले तरी, हे लक्षात घेतले पाहिजे की इन व्हिवो कीटकनाशक परिणामकारकता पूर्णपणे स्पष्ट करण्यासाठी केवळ बंधन ऊर्जा अपुरी आहे. समान डॉकिंग वैशिष्ट्ये असलेल्या संयुगांमधील LC₅₀ मूल्यांमधील फरक चयापचय स्थिरता, शोषण, जैवउपलब्धता आणि कीटकांमधील वितरण यांसारख्या घटकांमुळे असू शकतो.⁶⁰^,⁶⁴तथापि, तर्कसंगत संरचनात्मक रचना, संगणकीय अनुकरणाद्वारे दर्शविलेली उच्च रिसेप्टर आसक्ती आणि प्रभावी जैविक क्रिया या मताला जोरदार पाठिंबा देतात की AChE आणि nAChRs हे निरीक्षित न्यूरोटॉक्सिसिटीचे मुख्य मध्यस्थ आहेत.
थोडक्यात सांगायचे झाल्यास, संश्लेषित थायोफीन-आयसोक्विनोलिनोन संकरित संयुगांमध्ये ज्ञात चेतासंस्थेवर परिणाम करणाऱ्या कीटकनाशकांशी मोठ्या प्रमाणात सुसंगत असलेले प्रमुख संरचनात्मक आणि कार्यात्मक घटक आहेत. पूरक आंतरक्रिया यंत्रणांद्वारे ॲसिटिलकोलिनस्टेरेज (AChE) आणि निकोटिनिक ॲसिटिलकोलिन रिसेप्टर्स (nAChRs) यांना कार्यक्षमतेने बांधले जाण्याची त्यांची क्षमता, दुहेरी-लक्ष्यी कीटकनाशके म्हणून त्यांची संभाव्यता अधोरेखित करते. ही दुहेरी यंत्रणा केवळ कीटकनाशक परिणामकारकताच वाढवत नाही, तर सध्याच्या प्रतिकार यंत्रणांवर मात करण्यासाठी एक आश्वासक धोरण देखील प्रदान करते, ज्यामुळे ही संयुगे पुढील पिढीतील डास नियंत्रण घटकांच्या विकासासाठी आश्वासक उमेदवार ठरतात.
मॉलिक्युलर डायनॅमिक्स (MD) सिम्युलेशन्सचा उपयोग मॉलिक्युलर डॉकिंगच्या निष्कर्षांना प्रमाणित करण्यासाठी आणि त्यांचा विस्तार करण्यासाठी केला जातो, ज्यामुळे शारीरिकदृष्ट्या वास्तववादी परिस्थितीत लिगँड-टार्गेट आंतरक्रियांचे अधिक वास्तववादी आणि वेळेवर अवलंबून असलेले मूल्यांकन मिळते. जरी मॉलिक्युलर डॉकिंग संभाव्य बंधन स्थाने आणि आत्मीयतेबद्दल मौल्यवान प्राथमिक माहिती देऊ शकत असले, तरी ते एक स्थिर मॉडेल आहे आणि ते रिसेप्टरची लवचिकता, सॉल्व्हेंटची गतिशीलता किंवा आण्विक आंतरक्रियांमधील तात्कालिक चढउतार विचारात घेऊ शकत नाही. त्यामुळे, कॉम्प्लेक्सची स्थिरता, आंतरक्रियेची मजबुती आणि कालांतराने लिगँड्स व प्रथिनांमधील रचनात्मक बदलांचे मूल्यांकन करण्यासाठी एमडी सिम्युलेशन्स ही एक महत्त्वाची पूरक पद्धत आहे.^{६०, ६२, ७१}
निकोटिनिक एसिटाइलकोलीन रिसेप्टर (nAChR) च्या तुलनेत एसिटाइलकोलीनस्टेरेज (AChE) शी त्यांच्या उत्कृष्ट बंधन गुणधर्मांमुळे, आम्ही मॉलिक्युलर डायनॅमिक्स (MD) सिम्युलेशनसाठी मूळ रेणू 1a (सर्वात कमी LC₅₀ मूल्यासह) आणि सर्वात सक्रिय थायोफीन-आयसोक्विनोलीन संयुग 6 निवडले. AChE सक्रिय स्थळामध्ये त्यांची बंधन रचना 100 ns च्या सिम्युलेशन दरम्यान स्थिर राहते की नाही याचे मूल्यांकन करणे आणि त्यांच्या बंधन वर्तनाची तुलना क्लोरपायरीफॉस आणि रिबाउंड कोक्रिस्टलाइज्ड AChE इनहिबिटर BT7 यांच्याशी करणे हे उद्दिष्ट होते.
आण्विक गतिकी सिम्युलेशनमध्ये एकूण कॉम्प्लेक्स स्थिरतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी रूट मीन स्क्वेअर डेव्हिएशन (RMSD); रेसिड्यू लवचिकतेचा अभ्यास करण्यासाठी रूट मीन स्क्वेअर डेव्हिएशन ऑफ फ्लक्चुएशन्स (RMSF); आणि हायड्रोजन बंध, हायड्रोफोबिक संपर्क आणि आयनिक आंतरक्रियांची स्थिरता निश्चित करण्यासाठी लिगँड-अ‍ॅक्सेप्टर आंतरक्रिया विश्लेषणाचा समावेश होता (पूरक डेटा). जरी सर्व लिगँड्ससाठी RMSD आणि RMSF मूल्ये स्थिर मर्यादेत राहिली, ज्यामुळे AChE-लिगँड कॉम्प्लेक्समध्ये कोणतेही महत्त्वपूर्ण रचनात्मक बदल झाले नाहीत हे सूचित होते (आकृती १२), तरीही केवळ हे पॅरामीटर्स संयुगांमधील बंधन वस्तुमानातील फरक पूर्णपणे स्पष्ट करण्यासाठी अपुरे आहेत.