Ivana Šišoláková získala ocenenie Vedec roka SR v kategórii Mladý vedecký pracovník/Mladá vedecká pracovníčka za budovanie významných spoluprác a výskum neenzymatických elektrochemických senzorov.
Ocenenie v kategórii Mladá vedecká pracovníčka získala RNDr. Ivana Šišoláková, PhD. Zdroj: CVTI SR
Ivana Šišoláková, odborníčka v oblasti elektrochémie, pôsobí ako univerzitná docentka a od minulého roka aj ako vedúca Katedry fyzikálnej chémie Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach. Zameriava sa na vývoj neenzymatických elektrochemických senzorov na diagnostiku vírusových a civilizačných ochorení. Počas pandémie vytvorila ona a jej kolegovia senzory na diagnostiku ochorenia COVID-19.
Vedkyňa vo svojom výskume kombinuje materiálovú chémiu, elektrochémiu, biochémiu, biológiu a informatiku. Podieľa sa aj na vývoji softvérovej aplikácie, ktorá bude spolu so senzormi možným riešením samotestovania pacientov v pohodlí domova.
V rozhovore pre portál VEDA NA DOSAH približuje, ako fungujú elektrochemické senzory, aké ochorenia sa nimi dajú detegovať a v čom spočíva ich výhoda. Rozpráva aj o spoločnom patente v spolupráci s Univerzitou Tomáša Baťu v Zlíne, dôležitosti chémie okolo nás a o víziách, ktoré plánuje uskutočniť.
Vývoj senzorov
Váš výskum je zameraný na vývoj neenzymatických elektrochemických senzorov na diagnostiku vírusových a civilizačných ochorení. Mohli by ste nám ho priblížiť?
Neenzymatické elektrochemické senzory spolu s vyvíjanou softvérovou aplikáciou v spolupráci s firmou Deutsche Telekom IT Solutions Slovakia predstavujú lacné, rýchle a jednoduché riešenia na diagnostiku rôznych ochorení, ako je napríklad COVID-19, chrípka, diabetes mellitus a podobne. Týmito senzormi vieme stanoviť špecifické receptory prítomné pri niektorých nádorových ochoreniach alebo analyty (zložky), ako je kyselina askorbová, kyselina mliečna či cholesterol. Veľkou výhodou je, že ich použitím je možné vykonať diagnostiku z kvapky potu, slín alebo krvi za niekoľko sekúnd bez potreby školeného medicínskeho personálu. To by mohlo mať výrazný prínos pri testovaní športovcov po športovom výkone alebo počas neho.
Diagnostiku môžeme vykonať z kvapky potu, slín alebo krvi za niekoľko sekúnd bez potreby školeného medicínskeho personálu.
Nami vyvíjané neenzymatické elektrochemické senzory sú zložené z niekoľkých častí, keď ako základ využívame uhlíkovú elektródu pripravenú metódou sieťotlače, ktorá je komerčne dostupná. Povrch tejto elektródy je však nevyhnutné vhodne modifikovať, aby sme získali elektrochemický senzor, ktorý by spĺňal požiadavky na detekciu vybraného analytu s vysokou špecificitou, selektivitou, s nízkym detekčným limitom a ďalšími vhodnými charakteristikami. Rozdielom medzi nami vyvíjanými a komerčne dostupnými glukózovými senzormi je to, že v našom prípade je biologická zložka (enzým) nahrádzaná kovovými materiálmi, čo výrazne zvyšuje stabilitu senzora, znižuje jeho cenu a požiadavky na skladovanie. Biologická zložka je limitujúcou a zároveň najdrahšou časťou celého senzora.
RNDr. Ivana Šišoláková, PhD. v laboratóriu. Zdroj: archív IŠ
Aké metódy a technológie sa používajú pri vývoji týchto senzorov a ako ovplyvňujú ich citlivosť, špecificitu a rýchlosť detekcie?
Na to, aby sme pripravili senzor s vhodnými vlastnosťami a zároveň vysoko špecifický na daný analyt, je nevyhnutné nájsť vhodnú modifikáciu uhlíkovej elektródy. Ako som už spomínala, táto modifikácia pozostáva z niekoľkých častí, pričom najpodstatnejší je pre nás kovový materiál, ktorý zabezpečuje selektívnu oxidáciu analytu. Našou úlohou je nájsť spomínaný kov a vylúčiť ho na elektródu pre nás v čo najvhodnejšej forme. To znamená, že študujeme aj vplyv veľkosti vylúčených kovových častíc, ich tvaru a distribúcie na analytické charakteristiky senzora.
Ďalšou dôležitou zložkou je polymérny materiál, ktorý na základe našej predošlej štúdie zvyšuje stabilitu elektrochemických senzorov a stabilizuje kovové častice na povrchu senzora počas elektrochemického merania. Keďže mnoho polymérov má nízku vodivosť, v spolupráci s Centrom polymérnych systémov Univerzity Tomáša Baťu v Zlíne sme pracovali na vývoji a testovaní vhodného polyméru, ktorý by zvyšoval stabilitu elektrochemických senzorov a zároveň by rapídne neznižoval vodivosť systému. Čo sa týka rýchlosti detekcie, tá je pri voltampérometrických metódach všeobecne vysoká, takže modifikácia povrchu elektródy nemá výrazný vplyv na rýchlosť stanovenia.
Diagnostika pomocou senzorov
Vyvinuli ste nový typ elektrochemického senzora na diagnostiku vírusových ochorení, okrem iných aj na detekciu ochorenia COVID-19. Ako funguje a v čom je jeho výhoda?
Tento elektrochemický senzor funguje na princípe priamej oxidácie analytu, v tomto prípade spike proteínu vírusu na povrchu modifikovanej uhlíkovej elektródy. Najčastejšie pracujeme s voltampérometrickými metódami, ktoré zaznamenávajú zmenu prúdu v závislosti od vloženého potenciálu. Pri diagnostike SARS-CoV-2 sledujeme nárast prúdu počas oxidácie spike proteínu vírusu na povrchu modifikovaného senzora. Veľkou výhodou elektrochemických senzorov na stanovenie vírusov je to, že sú schopné nielen kvalitatívnej, ale aj kvantitatívnej analýzy, keďže z polohy maximálnej hodnoty prúdu prislúchajúcej oxidácii spike proteínu vírusu je možné povedať, či je pacient pozitívny, alebo negatívny. Z maximálnej hodnoty prúdu je možné zistiť aj množstvo vírusu v tele pacienta.
Vyvinuli ste aj senzor na stanovenie inzulínu ako nového prístupu pri diagnostike diabetu. Ako sa líšia požiadavky na senzory na detekciu vírusových ochorení (napríklad SARS-CoV-2) od senzorov určených na detekciu civilizačných ochorení (na stanovenie inzulínu, cholesterolu)?
Tieto senzory fungujú na identickom princípe. Rozdielom medzi senzorom na detekciu SARS-CoV-2 a detekciou akéhokoľvek iného analytu, napríklad cholesterolu, inzulínu alebo glukózy, je len v modifikácii povrchu elektrochemického senzora. Našou úlohou je pomocou mnohých testov nájsť modifikáciu, ktorá zabezpečí selektívnu oxidáciu študovaného analytu na povrchu elektrochemického senzora.
Vami vyvíjané elektrochemické senzory by mali slúžiť aj na samotestovanie pacientov v domácom prostredí tak, aby výsledky boli pre každého jednoducho zrozumiteľné. Akú životnosť majú takéto senzory? Využívajú sa podobné aplikácie už v zahraničí?
Senzory spolu s vyvíjanou softvérovou aplikáciou by mohli v budúcnosti predstavovať komplexné riešenie samotestovania pacientov v pohodlí domova. Je však nevyhnutné povedať, že povrch každého senzora na určitý analyt je špecificky modifikovaný, nie je to teda jeden univerzálny senzor. Zároveň zatiaľ hovoríme o jednorazových senzoroch. Keďže sú neenzymatické a na povrchu neobsahujú biologickú zložku, znižujú sa nároky na skladovacie podmienky a podstatne sa predlžuje čas uskladnenia v porovnaní so súčasne komerčne používanými glukózovými senzormi.
Momentálne existuje na domácom, ale aj na zahraničnom trhu mnoho aplikácií, ktoré sú na podobnom princípe schopné zaznamenávať napríklad tep alebo iné funkcie počas športových aktivít a vytvárať časové štatistiky. Nemám však vedomosť, že by doma alebo v zahraničí bola k dispozícii takáto aplikácia, zameraná na samotestovanie a sledovanie zdravotného stavu konečného používateľa.
Senzory spolu s vyvíjanou softvérovou aplikáciou by mohli v budúcnosti predstavovať komplexné riešenie samotestovania pacientov v pohodlí domova.
Ste spoluautorkou prihlášky patentu s názvom Modifikovaná uhlíková elektróda so zvýšenou vodivosťou a spôsob jej výroby. Aké využitie majú uhlíkové elektródy v praxi?
Uhlíkové elektródy majú mnoho spôsobov využitia, my ich v našom výskume využívame ako základ pre elektrochemické senzory. Je to hlavne z dôvodu, že uhlík je lacný a dostupný materiál. Samotná uhlíková elektróda však pre nás nie je zaujímavá a podstatná je pre nás modifikácia jej povrchu, ktorú si prispôsobujeme v závislosti od stanovovaného analytu. Aj v prípade spomínanej patentovej prihlášky ide o špeciálne modifikovanú uhlíkovú elektródu, ktorá bola pripravená v spolupráci s Univerzitou Tomáša Baťu v Zlíne ako výsledok intenzívnej spolupráce.
RNDr. Ivana Šišoláková, PhD. Foto: Marián Zelenák, CVTI SR
Práca na Slovensku a vyhliadky do budúcnosti
Napriek mnohým zahraničným kontaktom a spoluprácam ste sa rozhodli budovať si vedeckú kariéru na Slovensku. Čo vás viedlo k tomu, aby ste zostali v rodnej krajine?
V súčasnosti to, že som sa rozhodla zostať na Slovensku, považujem za jedno zo svojich najlepších rozhodnutí. Dôvodom bol hlavne skvelý tím kolegov, s ktorými spolupracujem. Vieme sa vždy povzbudiť a pomôcť si navzájom, čo dnes už nemusí byť úplne bežné. Napriek tomu, že pôsobím na Slovensku, udržiavanie medzinárodných kontaktov a spoluprác si vyžaduje množstvo pracovných ciest a stretnutí. Cestovanie do zahraničia tvorí veľkú časť môjho súčasného profesijného života.
A v neposlednom rade by mi kdekoľvek na svete určite chýbala slovenská príroda a najmä naše hory.
Chémia je všade okolo nás a nie je možné bez nej fungovať.
Čo by ste odkázali mladým ľuďom, ktorí rozmýšľajú o štúdiu chémie? Ako ich najlepšie motivovať, aby si zvolili vedeckú kariéru?
Musia si predovšetkým uvedomiť, že chémia je všade okolo nás a nie je možné bez nej fungovať. Všetko, čo v súčasnosti používame, raz musel niekto vynájsť a to isté momentálne robíme my. Zvedavo a s nasadením sa snažíme objaviť nové veci a súvislosti a je neuveriteľný pocit prichádzať na niečo nové.
Odkázala by som im, aby sa nebáli a išli za svojím cieľom, ak ich veda baví a napĺňa. Ja som to urobila pred niekoľkými rokmi, keď som uprednostnila štúdium chémie pred medicínou alebo farmáciou napriek tomu, že moji rodičia tomuto rozhodnutiu neboli veľmi naklonení, a neľutujem to.
Čo vás v oblasti výskumu čaká v najbližšom čase?
Výskum elektrochemických senzorov sa v súčasnosti realizuje vo vzorkách simulovaných telesných tekutín, respektíve vo vzorkách krvného séra, ktoré je objednávané od dodávateľa. V najbližšom čase by sme sa radi posunuli vo výskume elektrochemických senzorov ďalej, získali všetky povolenia a vykonali klinickú a následne multicentrickú klinickú štúdiu, keď by sme už testovali vzorky reálnych pacientov.
