모기 매개 질병은 여전히 심각한 세계 공중 보건 문제로 남아 있습니다.모기(Culex pipiens pallens)와 같은 질병 매개체의 기존 살충제에 대한 저항성 증가는 이러한 문제를 더욱 악화시키고 있습니다. 본 연구에서는 새로운 티오펜-이소퀴놀리논 하이브리드 화합물들을 설계, 합성 및 잠재적인 유충 살충제로 평가했습니다. 합성된 화합물 중 유도체 5f, 6, 7은 각각 0.3, 0.1, 1.85 μg/mL의 LC₅₀ 값을 나타내며 모기 유충에 대해 유의미한 살충 활성을 보였습니다. 특히, 12가지 티오펜-이소퀴놀리논 유도체 모두 기준 유기인계 살충제인 클로르피리포스(LC₅₀ = 293.8 μg/mL)보다 훨씬 높은 독성을 나타내어 이들 화합물의 우수한 독성을 확인했습니다. 흥미롭게도, 합성 중간체 1a(티오펜 세미에스터)는 가장 높은 효능(LC₅₀ = 0.004 μg/mL)을 나타냈으며, 아직 완전히 최적화되지는 않았지만 모든 최종 유도체보다 효능이 높았습니다. 기전 생물학적 연구 결과, 콜린성 기능 장애를 시사하는 강력한 신경독성 증상이 나타났습니다. 분자 도킹 및 분자 동역학 시뮬레이션은 이러한 관찰 결과를 확인시켜 주었으며, 아세틸콜린에스테라제(AChE) 및 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChR)와의 강력한 특이적 상호작용을 밝혀내어 이중 작용 기전의 가능성을 제시했습니다. 밀도 함수 이론(DFT) 계산은 활성 화합물의 유리한 전자적 특성과 반응성을 더욱 확인시켜 주었습니다. 이 화합물 계열의 구조적 다양성과 일관되게 높은 효능은 교차 내성 위험을 줄이고 화합물 교체 또는 병용을 통한 내성 관리 전략을 용이하게 할 수 있습니다. 종합적으로 이러한 결과는 티오펜-이소퀴놀리논 하이브리드가 곤충 매개체의 신경생리학적 경로를 표적으로 하는 차세대 유충 살충제 개발에 유망한 선택지임을 시사합니다.
모기는 감염성 질병을 전파하는 가장 효과적인 매개체 중 하나로, 다양한 위험한 병원균을 퍼뜨려 전 세계 공중 보건에 심각한 위협을 가합니다. 특히 큐렉스 피피엔스(Culex pipiens), 이집트숲모기(Aedes aegypti), 감비아숲모기(Anopheles gambiae)와 같은 종은 바이러스, 박테리아, 기생충을 전파하는 것으로 악명이 높으며, 매년 수백만 건의 감염과 수많은 사망자를 발생시킵니다. 예를 들어, 큐렉스 피피엔스는 웨스트 나일 바이러스와 세인트루이스 뇌염 바이러스와 같은 아르보바이러스뿐만 아니라 조류 말라리아와 같은 기생충 질병의 주요 매개체입니다. 최근 연구에 따르면 큐렉스 피피엔스는 바실러스 세레우스(Bacillus cereus)와 스타필로코커스 워윅이(Staphylococcus warwickii)와 같은 유해 박테리아의 매개 및 전파에도 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌으며, 이러한 박테리아는 식품을 오염시키고 공중 보건 문제를 악화시킵니다. 모기는 적응력, 생존력, 그리고 방제 방법에 대한 저항력이 강하여 방제가 어렵고 지속적인 위협으로 남아 있습니다.
화학 살충제는 모기 방제, 특히 모기 매개 질병 발생 시 중요한 도구입니다. 피레트로이드계, 유기인계, 카바메이트계 등 다양한 종류의 살충제가 모기 개체 수 감소와 질병 전파 억제를 위해 널리 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 화학 물질의 광범위하고 장기적인 사용은 생태계 파괴, 비표적 종에 대한 유해한 영향, 모기 개체군의 살충제 내성 급속한 발달 등 심각한 환경 및 공중 보건 문제를 야기하고 있습니다.11, 12, 13, 14이러한 저항성은 기존 살충제의 효과를 크게 떨어뜨리며, 진화하는 위협에 효과적으로 대응하기 위해 새로운 작용 메커니즘을 가진 혁신적인 화학적 해결책이 시급히 필요함을 강조합니다.11, 12, 13, 14이러한 심각한 문제들을 해결하기 위해 연구자들은 생물학적 방제, 유전자 공학, 통합 매개체 관리(IVM)와 같은 대안 전략에 주목하고 있습니다. 이러한 접근법들은 지속 가능하고 장기적인 모기 방제에 대한 가능성을 보여주고 있습니다. 그러나 전염병 발생이나 비상 상황에서는 신속한 대응을 위해 화학적 방법이 여전히 중요합니다.
이소퀴놀린 알칼로이드는 아마릴리다과, 꼭두서니과, 목련과, 양귀비과, 마편초과, 개똥쑥과와 같은 식물계를 포함한 식물계에 널리 분포하는 중요한 질소 함유 헤테로고리 화합물입니다.30 이전 연구에서는 이소퀴놀린 알칼로이드가 살충, 항당뇨, 항종양, 항진균, 항염, 항균, 항기생충, 항산화, 항바이러스 및 신경 보호 효과를 포함한 다양한 생물학적 활성과 구조적 특징을 가지고 있음을 확인했습니다.
본 연구에서 모든 화합물의 χ² 값은 임계값 미만이었고, p 값은 0.05 이상이었습니다. 이러한 결과는 LC₅₀ 추정치의 신뢰성을 확인시켜 주며, 확률 회귀 분석이 관찰된 용량-반응 관계를 효과적으로 설명할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 가장 활성이 높은 화합물(1a)을 기준으로 계산된 LC₅₀ 값과 독성 지수(TI)는 독성 효과를 비교하는 데 매우 신뢰할 수 있고 적합합니다.
본 연구에서는 새로 합성된 12가지 티오펜-이소퀴놀리논 유도체와 이들의 전구체 1a가 모기의 주요 신경 표적 두 가지, 즉 아세틸콜린에스테라제(AChE)와 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChR)에 미치는 상호작용을 평가하기 위해 분자 도킹 모델링을 수행하였다. 이들 표적은 유충 사망 실험에서 관찰된 신경독성 증상, 즉 신경 신호 전달 장애를 나타내는 증상을 바탕으로 선정되었다. 또한, 이들 화합물이 유기인산염 및 네오니코티노이드와 구조적으로 유사하다는 점은 이러한 표적을 선택한 이유를 뒷받침한다. 유기인산염은 AChE를 억제하고 네오니코티노이드는 nAChR을 활성화함으로써 독성 효과를 나타내기 때문이다.
또한, 여러 화합물(1a, 2, 5a, 5b, 5e, 5f 및 7 포함)이 SER280과 상호작용합니다. SER280 잔기는 결정 구조의 형태를 형성하는 데 관여하며 BT7의 재도핑된 형태에서 보존됩니다. 이러한 다양한 상호작용 방식은 활성 부위에서 이들 화합물의 적응성을 보여주며, SER280과 GLU359는 도킹 조건에서 적응형 앵커 부위 역할을 할 가능성이 있습니다. 합성 유도체와 GLU359 및 SER280과 같은 핵심 잔기(인간 아세틸콜린에스테라제(AChE)의 알려진 SER-HIS-GLU 촉매 삼중체의 구성 요소) 사이에서 빈번하게 관찰되는 상호작용은 이들 화합물이 촉매적으로 중요한 부위에 결합함으로써 AChE에 강력한 억제 효과를 나타낼 수 있다는 가설을 더욱 뒷받침합니다.29,61,64
특히, 화합물 6과 그 전구체 1a는 생물 검정에서 유충에 대해 가장 강력한 활성을 나타냈으며, 해당 계열 화합물 중 가장 낮은 LC₅₀ 값을 보였다. 분자 수준에서, 화합물 6은 GLU359 부위에서 클로르피리포스와 중요한 상호작용을 나타내는 반면, 화합물 1a는 SER280과의 수소 결합을 통해 재도핑된 BT7과 겹친다. GLU359와 SER280은 모두 BT7의 원래 결정학적 결합 구조에 존재하며 아세틸콜린에스테라제의 보존된 촉매 삼중체(SER–HIS–GLU)의 구성 요소이므로, 이러한 상호작용이 화합물의 억제 활성을 유지하는 데 기능적으로 중요하다는 것을 강조한다(그림 10).
BT7 유도체(천연 및 재구성된 BT7 포함)와 클로르피리포스 사이의 결합 부위, 특히 촉매 활성에 중요한 잔기에서의 유사성은 이들 화합물 간의 공통적인 억제 메커니즘을 강력하게 시사합니다. 종합적으로, 이러한 결과는 티오펜-이소퀴놀리논 유도체가 보존되고 생물학적으로 중요한 상호작용을 통해 매우 강력한 아세틸콜린에스테라제 억제제로서 상당한 잠재력을 가지고 있음을 확인시켜 줍니다.
분자 도킹 결과와 유충 생물검정 결과 사이의 강한 상관관계는 합성된 티오펜-이소퀴놀리논 유도체의 주요 신경독성 표적이 아세틸콜린에스테라제(AChE)와 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChR)임을 더욱 확증합니다. 도킹 결과는 수용체-리간드 친화도에 대한 중요한 정보를 제공하지만, 결합 에너지만으로는 생체 내 살충 효능을 완전히 설명하기에 불충분하다는 점을 인지해야 합니다. 유사한 도킹 특성을 가진 화합물 간의 LC₅₀ 값 차이는 대사 안정성, 흡수, 생체이용률 및 곤충 내 분포와 같은 요인에 기인할 수 있습니다.⁶⁰,⁶⁴하지만 합리적인 구조 설계, 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인된 높은 수용체 친화도, 그리고 강력한 생물학적 활성은 AChE와 nAChR이 관찰된 신경독성의 주요 매개체라는 견해를 강력하게 뒷받침합니다.
결론적으로, 합성된 티오펜-이소퀴놀리논 하이브리드는 기존에 알려진 신경 활성 살충제와 구조적 및 기능적으로 유사한 핵심 요소들을 지니고 있다. 이들은 상보적인 상호작용 메커니즘을 통해 아세틸콜린에스테라제(AChE)와 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChR)에 효율적으로 결합하는 능력을 보여주며, 이는 이중 표적 살충제로서의 잠재력을 시사한다. 이러한 이중 결합 메커니즘은 살충 효과를 향상시킬 뿐만 아니라 기존의 저항성 메커니즘을 극복하는 유망한 전략을 제공하여, 차세대 모기 방제제 개발에 있어 중요한 후보 물질이 될 수 있다.
분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 분자 도킹 결과를 검증하고 확장하는 데 사용되며, 생리학적으로 현실적인 조건에서 리간드-표적 상호작용에 대한 보다 현실적이고 시간 의존적인 평가를 제공합니다. 분자 도킹은 잠재적인 결합 위치와 친화도에 대한 유용한 예비 정보를 제공할 수 있지만, 정적인 모델이기 때문에 수용체의 유연성, 용매의 동역학 또는 분자 상호작용의 시간적 변동을 고려할 수 없습니다. 따라서 MD 시뮬레이션은 복합체의 안정성, 상호작용의 견고성, 그리고 시간에 따른 리간드와 단백질의 구조적 변화를 평가하는 데 중요한 보완적인 방법입니다.60, 62, 71
니코틴성 아세틸콜린 수용체(nAChR)에 비해 아세틸콜린에스테라제(AChE)에 대한 우수한 결합 특성을 바탕으로, 모분자 1a(가장 낮은 LC₅₀ 값)와 가장 활성이 높은 티오펜-이소퀴놀린 화합물 6을 분자 동역학(MD) 시뮬레이션 대상으로 선정하였다. 본 연구의 목표는 100ns의 시뮬레이션 동안 AChE 활성 부위에서의 결합 구조가 안정적으로 유지되는지 평가하고, 이들의 결합 양상을 클로르피리포스 및 반동 공결정화된 AChE 억제제 BT7과 비교하는 것이었다.
분자 동역학 시뮬레이션에는 복합체의 전반적인 안정성을 평가하기 위한 제곱평균제곱근 편차(RMSD), 잔기 유연성을 연구하기 위한 변동의 제곱평균제곱근 편차(RMSF), 그리고 수소 결합, 소수성 접촉 및 이온 상호작용의 안정성을 확인하기 위한 리간드-수용체 상호작용 분석이 포함되었습니다(보충 자료). 모든 리간드에 대한 RMSD 및 RMSF 값은 안정적인 범위 내에 유지되어 AChE-리간드 복합체에서 유의미한 구조적 변화가 없음을 나타내지만(그림 12), 이러한 매개변수만으로는 화합물 간의 결합 질량 차이를 완전히 설명하기에 불충분합니다.
게시 시간: 2025년 12월 15일