Biosenzory sú schopné detegovať biomolekulu z biologickej vzorky, či už z telesných tekutín, alebo z vody.
Jana Shepa získala vynikajúce 3. miesto v národnom kole prestížnej súťaže Falling Walls Lab Slovakia 2025. Zdroj: osobný archív J. S.
- čo je podstatou elektrochemických biosenzorov,
- akým spôsobom fungujú v praxi,
- prečo sú elektrochemické biosenzory citlivé na antibiotiká či rôzne ochorenia,
- akým spôsobom sú upravené, aby dokázali rozoznať dané ochorenie,
- prečo je nikel výhodným kovom pre takýto biosenzor,
- kde je v súčasnosti najväčší problém pri vývoji senzorov,
- čo je najväčším problémom antibiotika ciprofloxacín.
Fyzikálna chemička Jana Shepa z Ústavu chemických vied Prírodovedeckej fakulty Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach vyvíja senzor, ktorý by bol schopný analyzovať telesné tekutiny a zistiť v nich prítomnosť špecifických molekúl, čím by pomohol diagnostikovať rozmanité ochorenia, najmä cukrovku.
Biosenzor dokáže rozlíšiť biomolekulu zo vzorky telesnej tekutiny, ale aj z odpadovej vody a zistiť aj koncentráciu danej biomolekuly. „Môžete si ho predstaviť ako tenkú platničku, na ktorú sa kvapne vzorka krvi, potu, slín či sĺz, ktorú rovnako môžeme ponoriť do odpadovej vody a spustí sa meranie. Naše senzory fungujú priamo s mobilným telefónom, na diagnostiku postačí iba aplikácia, ktorá vyhodnotí výsledky,“ vysvetlila Jana Shepa, ktorá stojí za vývojom biosenzora. Doktorka dokonca získala vynikajúce 3. miesto v národnom kole prestížnej súťaže Falling Walls Lab Slovakia 2025.
Fyzikálna chemička Jana Shepa vyvíja senzor, ktorý by bol schopný analyzovať telesné tekutiny a zistiť v nich prítomnosť špecifických molekúl, aj aplikáciu. Zdroj: osobný archív J. S.
Senzor pripojiteľný na mobil a dostupný takmer všade
Čo je kľúčovou podstatou elektrochemických biosenzorov?
Biosenzory sú schopné detegovať biomolekulu v nejakej vzorke, napríklad v telesných tekutinách či odpadových vodách. Biosenzory obsahujú materiál, ktorý veľmi dobre rozpozná danú látku, je špecifický a dokáže určiť aj jej koncentráciu vo vzorke. Ide o interakciu samotnej biomolekuly s biosenzorom, ktorá je spojená s prenosom elektrónov. Keďže dokážeme prenášať elektróny cez fázové rozhranie, vieme získať aj merateľný signál, ktorý potom vyhodnotíme pomocou aplikácie.
Ako biosenzor vyzerá?
Môžete si ho predstaviť ako tenkú platničku, na ktorú sa kvapne vzorka krvi, potu, slín či sĺz, ktorú rovnako môžeme ponoriť do odpadovej vody a spustí sa meranie. Naše senzory fungujú priamo s mobilným telefónom, na diagnostiku postačí iba aplikácia vyhodnocujúca výsledky.
Biosenzor vyzerá ako tenká platnička, na ktorú sa kvapne vzorka krvi, potu, slín či sĺz. Zdroj: osobný archív J. S.
Čo je cieľom senzorov?
Naším cieľom je vynájsť celú škálu senzorov, ktoré by boli vytvorené na diagnostiku konkrétnych ochorení, ktoré pacient potrebuje. Dlho sme sa zameriavali na pacientov s diabetom, preto sme sa snažili vynájsť senzor citlivý na glukózu. Našou víziou do budúcnosti je to, aby si každý pacient mohol kúpiť senzor pripojiteľný na mobilný telefón, ktorý mu zistí koncentráciu molekuly typickej pre určité ochorenia v tele. Ak má diabetes, senzor bude zisťovať koncentráciu glukózy a inzulínu, športovci si môžu zistiť napríklad koncentráciu elektrolytov v tele a podobne. Spektrum ľudí, ktorí by mohli využívať tieto senzory, je veľmi široké, no vždy ide o biosenzory založené na princípe, ktorý som spomínala.
Pozrite si
Akým spôsobom by to fungovalo v praxi?
Pacient príde do lekárne a povie, že by potreboval napríklad biosenzor na markery sledované pri onkologických ochoreniach alebo antibiotikách. Zakúpi si ho a prostredníctvom mobilnej aplikácie, ktorá zaznamenáva koncentrácie ochorenia v telesných tekutinách alebo vo vodách, si meria konkrétne hodnoty danej molekuly. Ak má pacient podozrenie, že sú koncentrácie vyššie, mal by navštíviť doktora, ktorý dokáže predikovať priebeh ochorenia alebo nastaviť efektívnejšiu liečbu.
Aká je presnosť takýchto senzorov?
Presnosť je veľmi relatívna, závisí od posudzovanej vzorky. Snažíme sa však elektrochemické biosenzory vyvíjať tak, aby boli dostatočne presné. Ak napríklad máme koncentráciu glukózy, vieme, že ak je jej hodnota okolo 5, tak ide o normálnu hladinu glukózy v tele. V závislosti od toho, aká je cieľová koncentrácia, ktorú predpokladáme v danej vzorke, určujeme aj cieľovú presnosť, respektíve citlivosť týchto biosenzorov.
Vedkyňa sa snaží elektrochemické biosenzory vyvíjať tak, aby boli dostatočne presné. Zdroj: osobný archív J. S.
Výhodou je okamžitý výsledok
Tento senzor by mohol teda nájsť využitie najmä u pacientov, ktorí už majú v rodine cukrovku a nemusia ísť na prvotné vyšetrenie k lekárovi?
Áno. Výhodou senzora je efektivita štúdia ochorenia. Doktorov by som z toho nevynechávala, sú totiž veľmi dôležitou časťou celého systému. Môže to však uľahčiť prácu chemikom v laboratóriu, keďže pacient do laboratória nemusí posielať päť rôznych vzoriek, ale iba jednu. Všetky ostatné si vie sledovať doma, nemusí ísť na ďalšie iné merania. Existuje veľké množstvo ochorení, pri ktorých by monitorovanie molekúl, ako pri našich senzoroch, mohlo byť kľúčové. Môže ísť o infekčné ochorenia. Súčasná rezistencia baktérií je veľkým strašiakom, preto sa zameriavame práve na antibiotiká, či už v odpadových vodách, alebo v iných vzorkách. Ak napríklad pošlete výter z nosa pacienta do laboratória, výsledok získate až o dva dni. Naše testovacie zariadenie stanoví výsledok hneď. Tieto senzory sú doplnkom k súčasným postupom, aby bola liečba nastavená efektívnejšie a rýchlejšie.
Kde všade sa tento proces už využíva?
Napríklad pri glukomeroch. Ide o priekopnícke biosenzory. Okrem toho sa využívajú aj plynové senzory, ktoré sú tiež veľmi rozšírené. V princípe aj teplomer je istý druh senzora, pretože zmena teploty sa priamo prenesie na digitálny signál. Funkciou elektrochemického senzora je vytvoriť nejakú reakciu, teda previesť tok elektrónov na digitálny signál. Rovnako aj batéria je elektrochemické zariadenie, aj tu funguje výmena elektrónov.
Prečo ste sa zamerali práve na antibiotiká?
Podnet nám dali kolegovia z Lekárskej fakulty Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach, ktorých zaujímala práve táto problematika. Zameriavam sa však aj na rôzne iné, jednoduchšie molekuly – cholesterol, kyselinu askorbovú či kyselinu močovú.
Funkciou elektrochemického senzora je vytvoriť nejakú reakciu, teda previesť tok elektrónov na digitálny signál. Zdroj: osobný archív J. S.
Elektrochemické senzory sú vysoko citlivé na detekciu antibiotika. V čom spočíva ich citlivosť na antibiotikum?
Na senzor naviažeme špecifické molekuly vysoko citlivé na danú látku, ktorú chceme stanoviť. Toto zmení jej signál a dokážeme ju detegovať. Druhou možnosťou je využitie špecifickej interakcie so substrátom, čo zároveň zvyšuje životnosť senzora. Keď na senzor pridáme biologickú látku, napríklad aptamér, musíme ho špecificky skladovať. Keďže ho chceme zaviesť do domácností, musíme spotrebiteľa ušetriť takýchto zložitých procedúr. Preto sa ich snažíme vyvíjať čo najjednoduchšie na manipuláciu. Jednoduché molekuly, ako napríklad kyselina askorbová, nepotrebujú na svoje stanovenie biologickú látku na povrchu senzora. No máme aj zložitejšie molekuly, napríklad spike proteín koronavírusu, ktoré to majú presne naopak.
Vyžadujú si elektrochemické biosenzory na diabetes špeciálne zaobchádzanie či skladovanie?
Nami vyvíjané elektrochemické biosenzory detegujúce glukózu môžeme ľubovoľne dlho skladovať bez špeciálnej starostlivosti. V prípade komerčných biosenzorov potrebujú látky na povrchu elektródy špeciálne zaobchádzanie, napríklad teploty do 40 stupňov Celzia alebo pH približne od 4 do 9. Niektoré senzory musíme umiestniť do chladničky až do času manipulácie, navyše ich môžeme skladovať iba niekoľko mesiacov. Ide o zlomok času, počas ktorého dokážeme skladovať kovové elektródy.
Elektrochemické biosenzory detegujúce glukózu sa môžu ľubovoľne dlho skladovať bez špeciálnej starostlivosti. Zdroj: osobný archív J. S.
Majú biosenzory aj nejaké negatíva či nedostatky?
Som presvedčená, že zatiaľ nedokážu úplne nahradiť diagnostiku v biochemických laboratóriách a ani sa o to nesnažíme. Chceme skôr iba podporiť túto diagnostiku, aby sme mali k dispozícii viac informácií. Pravdepodobne nikdy nebudú také presné ako diagnostika v biochemických laboratóriách, ktorá je založená na iných metódach. Výhodou je však ich ľahká manipulácia, pretože pacient si môže zmerať koncentráciu ochorenia kdekoľvek za krátky čas.
Vyvinuli ste elektrochemický biosenzor na báze niklu. Prečo ste zvolili práve tento kov?
Nikel je výhodný z elektrochemického hľadiska, ale zároveň nepatrí k tým najdrahším kovom. Rovnako veľmi dobre mení oxidačné stavy, čo nám pomáha detegovať molekuly monitorované pri jednotlivých ochoreniach.
Na rôzne typy ochorení teda musíte vytvoriť elektrochemické biosenzory na báze rozličných kovov?
Nie je to nevyhnutné. Senzory sa snažíme vyvíjať tak, aby spôsob prípravy docielil to, že senzor bude špecificky vyvinutý len na konkrétnu biomolekulu. Pokiaľ to tak nebude, senzor môže odhaliť viacero biomolekúl naraz, čo však skreslí výsledok merania a dáta sú nepresné. Pri každom senzore otestujeme jeho presnosť.
Pripojenie biosenzora k telefónu a jeho spárovanie s mobilnou aplikáciou. Zdroj: osobný archív J. S.
Majú biosenzory ešte nejaké ďalšie výhody?
Ich najväčšou výhodou je to, že s nimi dokáže manipulovať takmer každý. Zároveň v spolupráci Deutsche Telekom IT Solutions Slovakia vyvíjame aplikáciu pre naše senzory, ktorú si jednoducho pacient nainštaluje do telefónu. Aplikácia ho na základe poskytnutého biologického materiálu informuje o koncentrácii danej molekuly v jeho tele.
Existuje ešte priestor na zlepšenie?
Snažíme sa presunúť biosenzory z laboratória priamo k ľuďom. Vyžaduje si to však ešte množstvo výskumu. Ak sa dostanú k ľuďom, budú ho môcť používať. Musíme však ešte nespočetne veľakrát opakovať merania a testy, aby sme mohli deklarovať, že náš senzor je dlhodobo funkčný.
Jana Shepa s tímom vedkýň z Ústavu chemických vied Prírodovedeckej fakulty UPJŠ v Košiciach. Zdroj: osobný archív J. S.
Najväčším problémom pri antibiotikách je naša rezistencia na ne
Kde v súčasnosti vidíte najväčší problém pri vývoji senzorov?
Ide o finančne náročný proces, napríklad potrebujeme zaplatiť ľudí, ktorí budú dlhodobo senzory testovať. Rovnako potrebujeme dostatok biologického materiálu na testovanie. Nevravím, že sú tieto prekážky neprekonateľné, ale vyžadujú si čas a množstvo finančného a ľudského kapitálu.
V akom štádiu je momentálne váš výskum biosenzorov?
Máme vyvinutý prototyp biosenzora – funkčné zariadene schopné detegovať biomolekuly v telesných tekutinách – a sme tesne pred štádiom masívneho testovania na biologických vzorkách.
Ako sa pripravujete na takéto masívne testovanie? Snažíte sa odstrániť nedostatky, ktoré ste spomínali?
Snažíme sa využívať rôzne granty, ktoré nám pomáhajú ku komercializácii našich biosenzorov. Aj v súčasnosti máme projekt S2DApp financovaný z Plánu obnovy a odolnosti, ktorý je cielený na vývoj multisenzora a mobilnej aplikácie. Zároveň spolupracujeme s rôznymi firmami zaoberajúcimi sa výskumom biosenzorov.
Multisenzory, ktoré vedkyňa vyvíja. Zdroj: osobný archív J. S.
Skúmali ste účinnosť biosenzorov na antibiotikum ciprofloxacín. Čo je najväčší problém tohto antibiotika?
Najväčším problémom všetkých antibiotík vo všeobecnosti je to, že si na ne baktérie vytvárajú rezistenciu. Nie som však odborníčkou v oblasti antibiotík, snažím sa iba vynájsť spôsob, ako ich detegovať. V princípe však máme súbor antibiotík a skúmame také, na ktoré máme k dispozícii rôzne porovnávacie metódy detekcie. Vďaka nim si overíme správnosť funkcie daného senzora. Ak si v laboratóriu pripravím roztok na skúšku testu, tak viem, aké množstvo antibiotika obsahuje. Len čo dostanem vzorku od pacienta, tieto koncentrácie sa môžu veľmi líšiť. Preto potrebujem podpornú metódu, ktorá stanoví množstvo antibiotika v biologickej vzorke. V súčasnosti vyberáme antibiotiká podľa tohto kritéria. Snažíme sa zistiť princíp tohto stanovenia a vtedy budeme vedieť využiť aj iné biomolekuly.
Čo pre vás predstavuje najväčšiu výzvu pri vytváraní takéhoto zariadenia?
Najťažšie je pochopiť, čo za procesy sa dejú na daných elektródach. Nikdy si totiž nie sme na sto percent istí, čo sa na nich pri jednotlivých meraniach udeje. Vieme, ako tento proces funguje, ale najkľúčovejšie pre nás je to, aby sme tomuto procesu porozumeli, vďaka čomu so senzormi môžeme manipulovať tak, aby sme z nich vyťažili maximum. Napríklad keď na diagnostiku jedného ochorenia postačia elektródy na báze niklu, neznamená to, že sú vhodné aj na stanovenie ďalšieho ochorenia.
(RR)
