前言

埃及伊蚊是传播登革热、黄热病、寨卡病和孔肯雅病病毒的主要媒介，对数百万人的生命健康构成严重威胁。世界卫生组织报道，目前全世界128个国家、39.7亿人面临登革热病毒感染的风险。每年约有3.9亿例登革热感染，9600万出现临床症状。而目前并没有治疗登革热的有效药物。目前控制登革热病毒传播的重要手段之一是使用速杀性化学杀虫剂（如有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等）进行超低容量喷雾和滞留喷洒迅速杀灭成蚊。但是该方法存在杀虫剂残留问题，会引发一系列环境污染问题。

文献调研发现，昆虫的乙酰胆碱酯酶和保幼激素是研发新型绿色抑制剂的重要靶标。其中乙酰胆碱酯酶(AChE)是昆虫神经系统中重要的酶系之一。AChE的作用是及时分解神经递质乙酰胆碱，从而终止神经冲动在中枢及周边神经系统中的继续传递，终止神经递质对突触后膜的兴奋作用，抑制乙酰胆碱酯酶的活性最终导致动物的麻痹甚至死亡。保幼激素（JH）是重要的一类昆虫激素，主要调控昆虫的生长、发育、变态和生殖功能。其抑制剂能阻碍或干扰昆虫正常发育，使昆虫个体生活能力降低、死亡。本研究就是针对这两个安全、高效的靶标进行筛选，并发现新型具有杀虫活性的化合物。

实验过程

   图1 实验过程

研究选择吡咯烷酮作为模板分子，使用ROCS和EON方法搜索ZINC数据库，选择命中的前100个化合物进行药代动力学和毒理学性质研究，得到14个符合条件的化合物。最后进行杀虫活性和乙酰胆碱酯酶活性预测，并选择预测活性良好的2个化合物进行分子对接研究。

实验结果

1. 药代动力学和毒性性质

研究经过形状相似性（ROCS）筛选、静电相似性（EON）筛选、药代动力学和毒理学性质预测得到14个符合条件的化合物。通过评价命中化合物的吸收、代谢、分布和排泄的参数（表1），比如：MW（分子质量）、QP logKp（皮肤渗透性）、HB donor（氢键供体数）、HB acceptor（氢键受体数），发现所有化合物都能符合Lipinski类药五规则，只有5个化合物不符合Jorgensen类药三规则。因此，通过虚拟筛选命中的化合物都具有较好的口服生物利用度。

化合物的毒性性质预测结果表明，有5个化合物表现出低毒性。这5个化合物分别为：ZINC13537284、ZINC00001021、ZINC01530718、ZINC00000257和ZINC00001624，它们都没有表现出肝细胞毒性、皮肤过敏性和致畸性等，是较安全的潜在抑制剂。

   表1 命中化合物的药代动力学性质的预测结果

   表2 命中化合物的毒性性质的预测结果

2. 生物活性预测

研究使用PASS网站对命中的5个具有较好药代动力学和毒理学性质的化合物（图2）进行生物活性预测（表3）。其中化合物ZINC00001021和ZINC00001624表现出可能的杀虫、乙酰胆碱拮抗剂和乙酰酯酶抑制剂的活性，可能性大于0.4，是潜在的新型杀虫剂。

   图2 命中的5个化合物结构

   表3 化合物的生物活性预测结果

   注：Pa表示可能的活性概率；Pi表示可能的非活性概率

3. 分子对接研究

研究将5个化合物对接到果蝇的乙酰胆碱酯酶（1QON）、人的乙酰胆碱酯酶（4EY6）、埃及伊蚊的保幼激素（5V13）的晶体结构中。结果发现化合物ZINC00001021和ZINC00001624与果蝇的乙酰胆碱酯酶的结合亲和力分别为−10.5 kcal/mol、-9.2 kcal/mol。ZINC00001021和ZINC00001624与人的乙酰胆碱酯酶的结合亲和力分别为−9.9 kcal/mol、-10.3 kcal/mol，比已知抑制剂pyriproxyfen的结合亲和力−9.1 kcal/mol还要高。化合物ZINC00001021和ZINC00001624与伊蚊的保幼激素的结合亲和力分别为-11.4 kcal/mol、-10.4 kcal/mol。由三个蛋白的对接结果可以看出，筛选命中的2个化合物比已知抑制剂的活性还要好。对接相互作用分析也发现，与它们相互作用的氨基酸与已知抑制剂相似。化合物ZINC00001624与残基Phe144、Tyr64、Trp53、Val65、Val68、Leu72、Leu74、Val51和Ty33有较强的相互作用。化合物ZINC00001021与残基Try33、Val51、Trp53、Val65和Val68的相互作用较强。因此，对接结果表明命中的2个化合物具有潜在的杀虫活性。

4. 毒性评估

一般环境中存在的农药多半是半挥发性有机物（SVOCs）。它们的分布与蒸汽压、水溶性等物理化学性质有关，同时也受温度、湿度等环境条件的影响。虚拟筛选命中的化合物ZINC00001021的LD50是1000 mg/kg，毒性等级属于第Ⅳ类，和已知抑制剂的毒性类别相同。化合物ZINC00001624的LD50是349 mg/kg，毒性等级属于第Ⅲ类。毒性评估结果证明了虚拟筛选命中的化合物ZINC00001021、ZINC00001624可以作为潜在的安全性高的杀虫剂进行研究。

   表4 化合物的毒性预测结果

结论

研究使用形状相似性（ROCS）筛选、静电相似性（EON）筛选和药代动力学毒理学性质预测等方法从ZINC数据库中筛选到2个（ZINC00001624、ZINC00001021）具有潜在杀虫活性的新化合物。命中的2个化合物的毒性风险评估结果表明，化合物ZINC00001624具有抑制人和昆虫的乙酰胆碱酯酶的活性，化合物ZINC00001021与保幼激素表现出较好的相互作用。因此，虚拟筛选发现的化合物ZINC00001021和ZINC00001624可以作为潜在的杀虫剂用来杀死埃及伊蚊，阻断登革热等病毒的传播。

使用模块：ROCS、EON

参考文献：

Ryan da Silva Ramos, Josivan da Silva Costa, Rai Campos Silva, et al. Identification of Potential Inhibitors from Pyriproxyfen with Insecticidal Activity by Virtual Screening. Pharmaceuticals 2019, 12, 20. doi:10.3390/ph12010020