Development of a high-throughput monitoring technique of bacteria photodynamic inactivation

Summary form only given. Bacterial infections and the fight against them have been one of the major concerns of mankind since the dawn of time. During the `golden years' of antibiotic discovery, during the 1940-90s, it was thought that the war against infectious diseases had been won. However currently, due to the drug resistance increase, associated with the inefficiency of discovering new antibiotic classes, infectious diseases are again a major public health concern. A potential alternative to antibiotic treatments may be the antimicrobial photodynamic inactivation (PDI) therapy. To date no indication of antimicrobial PDI resistance development has been reported. However the PDI protocol depends on the bacteria species [1], and in some cases on the bacteria strains, for instance Staphylococcus aureus [2]. Therefore the development of PDI monitoring techniques for diverse bacteria strains is critical in pursuing further understanding of such promising alternative therapy. The present works aims to evaluate Fourier-Transformed-Infra-Red (FT-IR) spectroscopy to monitor the PDI of two model bacteria, a gram-negative (Escherichia coli) and a gram-positive (S. aureus) bacteria. For that a high-throughput FTIR spectroscopic method was implemented as generally described in Scholz et al. [3], using short incubation periods and microliter quantities of the incubation mixture containing the bacteria and the PDI-drug model the known bactericidal tetracationic porphyrin 5,10,15,20-tetrakis (4-N, N, Ntrimethylammoniumphenyl)-porphyrin p-tosylate (TTAP4+). In both bacteria models it was possible to detect, by FTIR-spectroscopy, the drugs effect on the cellular composition either directly on the spectra or on score plots of principal component analysis. Furthermore the technique enabled to infer the effect of PDI on the major cellular biomolecules and metabolic status, for example the turn-over metabolism. In summary bacteria PDI was monitored in an economic, rapid (in minutes- , high-throughput (using microplates with 96 wells) and highly sensitive mode resourcing to FTIR spectroscopy, which could serve has a technological basis for the evaluation of antimicrobial PDI therapies efficiency.

Molecular fingerprint of human gastric cell line infected by Helicobacter pylori

Helicobacter pylori infection represents a serious health problem, given its association with serious gastric diseases as gastric ulcers, cancer and MALT lymphoma. Currently no vaccine exists and antibiotic-based eradication therapy is already failing in more than 20% of cases. To increase the knowledge on the infection process diverse gastric cell lines, e.g. the adenocarcinona gastric (AGS) cell line, are routinely used has in vitro models of gastric epithelia. In the present work the molecular fingerprint of infected and non-infected AGS cell lines, by diverse H. pylori strains, was acquired using vibrational infrared spectroscopy. These molecular fingerprints enabled to discriminate infected from non-infected AGS cells, and infection due to different strains, by performing Principal Component Analysis. It was also possible to estimate, from the AGS cells molecular fingerprint, the effect of the infection on diverse biochemical and metabolic cellular status. In resume infra-red spectroscopy enabled the acquisition of infected AGS cells molecular fingerprint with minimal sample preparation, in a rapid, high-throughput, economic process yielding highly sensitive and informative data, most useful for promoting critical knowledge on the H. pylori infection process. © 2015 IEEE.

FPGA-based architecture for hyperspectral endmember extraction

Hyperspectral instruments have been incorporated in satellite missions, providing data of high spectral resolution of the Earth. This data can be used in remote sensing applications, such as, target detection, hazard prevention, and monitoring oil spills, among others. In most of these applications, one of the requirements of paramount importance is the ability to give real-time or near real-time response. Recently, onboard processing systems have emerged, in order to overcome the huge amount of data to transfer from the satellite to the ground station, and thus, avoiding delays between hyperspectral image acquisition and its interpretation. For this purpose, compact reconfigurable hardware modules, such as field programmable gate arrays (FPGAs) are widely used. This paper proposes a parallel FPGA-based architecture for endmember’s signature extraction. This method based on the Vertex Component Analysis (VCA) has several advantages, namely it is unsupervised, fully automatic, and it works without dimensionality reduction (DR) pre-processing step. The architecture has been designed for a low cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 SoC FPGA based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral data sets collected by the NASA’s Airborne Visible Infra-Red Imaging Spectrometer (AVIRIS) over the Cuprite mining district in Nevada. Experimental results indicate that the proposed implementation can achieve real-time processing, while maintaining the methods accuracy, which indicate the potential of the proposed platform to implement high-performance, low cost embedded systems, opening new perspectives for onboard hyperspectral image processing.

Tuning Iris Recognition for Noisy Images

The use of iris recognition for human authentication has been spreading in the past years. Daugman has proposed a method for iris recognition, composed by four stages: segmentation, normalization, feature extraction, and matching. In this paper we propose some modifications and extensions to Daugman's method to cope with noisy images. These modifications are proposed after a study of images of CASIA and UBIRIS databases. The major modification is on the computationally demanding segmentation stage, for which we propose a faster and equally accurate template matching approach. The extensions on the algorithm address the important issue of pre-processing that depends on the image database, being mandatory when we have a non infra-red camera, like a typical WebCam. For this scenario, we propose methods for reflection removal and pupil enhancement and isolation. The tests, carried out by our C# application on grayscale CASIA and UBIRIS images show that the template matching segmentation method is more accurate and faster than the previous one, for noisy images. The proposed algorithms are found to be efficient and necessary when we deal with non infra-red images and non uniform illumination.

In Situ Near-Infrared (NIR) Versus High-Throughput Mid- Infrared (MIR) Spectroscopy to Monitor Biopharmaceutical Production

The development of biopharmaceutical manufacturing processes presents critical constraints, with the major constraint being that living cells synthesize these molecules, presenting inherent behavior variability due to their high sensitivity to small fluctuations in the cultivation environment. To speed up the development process and to control this critical manufacturing step, it is relevant to develop high-throughput and in situ monitoring techniques, respectively. Here, high-throughput mid-infrared (MIR) spectral analysis of dehydrated cell pellets and in situ near-infrared (NIR) spectral analysis of the whole culture broth were compared to monitor plasmid production in recombinant Escherichia coil cultures. Good partial least squares (PLS) regression models were built, either based on MIR or NIR spectral data, yielding high coefficients of determination (R-2) and low predictive errors (root mean square error, or RMSE) to estimate host cell growth, plasmid production, carbon source consumption (glucose and glycerol), and by-product acetate production and consumption. The predictive errors for biomass, plasmid, glucose, glycerol, and acetate based on MIR data were 0.7 g/L, 9 mg/L, 0.3 g/L, 0.4 g/L, and 0.4 g/L, respectively, whereas for NIR data the predictive errors obtained were 0.4 g/L, 8 mg/L, 0.3 g/L, 0.2 g/L, and 0.4 g/L, respectively. The models obtained are robust as they are valid for cultivations conducted with different media compositions and with different cultivation strategies (batch and fed-batch). Besides being conducted in situ with a sterilized fiber optic probe, NIR spectroscopy allows building PLS models for estimating plasmid, glucose, and acetate that are as accurate as those obtained from the high-throughput MIR setup, and better models for estimating biomass and glycerol, yielding a decrease in 57 and 50% of the RMSE, respectively, compared to the MIR setup. However, MIR spectroscopy could be a valid alternative in the case of optimization protocols, due to possible space constraints or high costs associated with the use of multi-fiber optic probes for multi-bioreactors. In this case, MIR could be conducted in a high-throughput manner, analyzing hundreds of culture samples in a rapid and automatic mode.

Comparative analysis of near and mid-infrared spectroscopy to monitor recombinant cyprosin production

Infrared spectroscopy, either in the near and mid (NIR/MIR) region of the spectra, has gained great acceptance in the industry for bioprocess monitoring according to Process Analytical Technology, due to its rapid, economic, high sensitivity mode of application and versatility. Due to the relevance of cyprosin (mostly for dairy industry), and as NIR and MIR spectroscopy presents specific characteristics that ultimately may complement each other, in the present work these techniques were compared to monitor and characterize by in situ and by at-line high-throughput analysis, respectively, recombinant cyprosin production by Saccharomyces cerevisiae. Partial least-square regression models, relating NIR and MIR-spectral features with biomass, cyprosin activity, specific activity, glucose, galactose, ethanol and acetate concentration were developed, all presenting, in general, high regression coefficients and low prediction errors. In the case of biomass and glucose slight better models were achieved by in situ NIR spectroscopic analysis, while for cyprosin activity and specific activity slight better models were achieved by at-line MIR spectroscopic analysis. Therefore both techniques enabled to monitor the highly dynamic cyprosin production bioprocess, promoting by this way more efficient platforms for the bioprocess optimization and control.

A high throughput colorimetric assay of beta-1,3-D-glucans by Congo red dye

Mushroom strains contain complex nutritional biomolecules with a wide spectrum of therapeutic and prophylactic properties. Among these compounds, β-d-glucans play an important role in immuno-modulating and anti-tumor activities. The present work involves a novel colorimetric assay method for β-1,3-d-glucans with a triple helix tertiary structure by using Congo red. The specific interaction that occurs between Congo red and β-1,3-d-glucan was detected by bathochromic shift from 488 to 516 nm (> 20 nm) in UV–Vis spectrophotometer. A micro- and high throughput method based on a 96-well microtiter plate was devised which presents several advantages over the published methods since it requires only 1.51 μg of polysaccharides in samples, greater sensitivity, speed, assay of many samples and very cheap. β-d-Glucans of several mushrooms (i.e., Coriolus versicolor, Ganoderma lucidum, Pleurotus ostreatus, Ganoderma carnosum, Hericium erinaceus, Lentinula edodes, Inonotus obliquus, Auricularia auricular, Polyporus umbellatus, Cordyseps sinensis, Agaricus blazei, Poria cocos) were isolated by using a sequence of several extractions with cold and boiling water, acidic and alkaline conditions and quantified by this microtiter plate method. FTIR spectroscopy was used to study the structural features of β-1,3-d-glucans in these mushroom samples as well as the specific interaction of these polysaccharides with Congo red. The effect of NaOH on triple helix conformation of β-1,3-d-glucans was investigated in several mushroom species.

In situ NIR spectroscopy monitoring of plasmid production processes effect of producing strain, medium composition and the cultivation strategy

BACKGROUNDWhile the pharmaceutical industry keeps an eye on plasmid DNA production for new generation gene therapies, real-time monitoring techniques for plasmid bioproduction are as yet unavailable. This work shows the possibility of in situ monitoring of plasmid production in Escherichia coli cultures using a near infrared (NIR) fiber optic probe. RESULTSPartial least squares (PLS) regression models based on the NIR spectra were developed for predicting bioprocess critical variables such as the concentrations of biomass, plasmid, carbon sources (glucose and glycerol) and acetate. In order to achieve robust models able to predict the performance of plasmid production processes, independently of the composition of the cultivation medium, cultivation strategy (batch versus fed-batch) and E. coli strain used, three strategies were adopted, using: (i) E. coliDH5 cultures conducted under different media compositions and culture strategies (batch and fed-batch); (ii) engineered E. coli strains, MG1655endArecApgi and MG1655endArecA, grown on the same medium and culture strategy; (iii) diverse E. coli strains, over batch and fed-batch cultivations and using different media compositions. PLS models showed high accuracy for predicting all variables in the three groups of cultures. CONCLUSIONNIR spectroscopy combined with PLS modeling provides a fast, inexpensive and contamination-free technique to accurately monitoring plasmid bioprocesses in real time, independently of the medium composition, cultivation strategy and the E. coli strain used.

Statistical classification of road pavements using near field vehicle rolling noise measurements

Low noise surfaces have been increasingly considered as a viable and cost-effective alternative to acoustical barriers. However, road planners and administrators frequently lack information on the correlation between the type of road surface and the resulting noise emission profile. To address this problem, a method to identify and classify different types of road pavements was developed, whereby near field road noise is analyzed using statistical learning methods. The vehicle rolling sound signal near the tires and close to the road surface was acquired by two microphones in a special arrangement which implements the Close-Proximity method. A set of features, characterizing the properties of the road pavement, was extracted from the corresponding sound profiles. A feature selection method was used to automatically select those that are most relevant in predicting the type of pavement, while reducing the computational cost. A set of different types of road pavement segments were tested and the performance of the classifier was evaluated. Results of pavement classification performed during a road journey are presented on a map, together with geographical data. This procedure leads to a considerable improvement in the quality of road pavement noise data, thereby increasing the accuracy of road traffic noise prediction models.

Enquadramento das novas infra-estruturas ferroviárias e logísticas no desenvolvimento urbanístico da cidade de Elvas

A Alta Velocidade chegou à Europa há aproximadamente trinta anos, França foi o país pioneiro a aderir a este meio de transporte. Inicialmente visto como meio de redução do tráfego aéreo entre grandes cidades, cedo se compreendeu que a sua utilização poderia trazer mais benefícios, começando então a sua construção noutros países europeus. Na altura em que Portugal projecta a construção de uma rede de Alta Velocidade, utilizando-a não como simples transporte de passageiros mas também como catalisador de uma afirmação no mercado logístico e do transporte de mercadorias Ibero-Europeu e afirmando os seus principais portos como portas Atlânticas de entrada na Europa, torna-se importante a compreensão dos impactos que este investimento poderá vir a ter no futuro. A criação de pontos logísticos servidos por comboios de Alta Velocidade ao longo do país faz da cidade de Elvas um ponto de especial interesse. A concentração de três infra-estruturas como a ferrovia de alta velocidade, a plataforma logística e a linha de mercadorias Sines/Elvas num só ponto, fazem com que esta cidade se destaque das outras relativamente aos impactos que poderá vir a sofrer. Os efeitos provocados por este tipo de infra-estruturas, particularmente no caso das Redes de Alta Velocidade, são difíceis de prever sendo por essa razão necessária a análise detalhada de todos os elementos com influência neste local, resultando no entanto sempre num motor do desenvolvimento e da criação de novo tecido urbano e actividades. A grande proximidade entre Elvas e Badajoz, cidades que irão no futuro partilhar a maioria destas infra-estruturas, além da ligação centenária que existe entre os povos das duas cidades e dos dois países fazem deste projecto um caso de estudo particularmente interessante em que o sucesso do mesmo estará sempre dependente da cooperação estratégica que os dois venham a desenvolver.

Projecto de traçado de infra-estruturas rodoviárias

O presente relatório enquadra-se no âmbito do trabalho final de Mestrado do curso de Engenharia Civil, área de especialização de Vias de Comunicação e Transportes, do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. O trabalho final de Mestrado consistiu na realização de um estágio centrado no projecto de traçado de infra-estruturas rodoviárias. O estágio teve lugar na empresa Clenci – Clínica de Engenharia Civil, Lda e teve como principal objecto o estudo de vários arruamentos, no âmbito da remodelação do Ramal da Lousã, inserido no Projecto do Metro de Superfície - Metro do Mondego, nomeadamente o reperfilamento do actual Arruamento da Estação Casal de Santo António e a criação de um novo eixo viário de ligação à futura Estação do Corvo. Neste âmbito, as soluções desenvolvidas envolveram o estudo do traçado geométrico, em planta e em perfil longitudinal, assim como a definição dos respectivos perfis transversais tipo, e ainda o dimensionamento de intersecções giratórias, de forma a optimizar a articulação entre os vários arruamentos em estudo. Refere-se, ainda, a importância das várias deslocações ao local para o desenvolvimento do projecto, de modo a caracterizar a situação existente e avaliar eventuais condicionantes.

Caracterização estrutural de infra-estruturas de transporte através de métodos de auscultação não destrutivos

A avaliação da capacidade de carga de infra-estruturas de transportes em serviço, tendo em vista a estimativa da vida residual e o eventual dimensionamento do reforço da estrutura, é realizada recorrendo cada vez mais a ensaios de carga não destrutivos. Esta metodologia permite depois, através de um processo de retroanálise, estabelecer um modelo de comportamento estrutural que reproduza, de forma tão próxima quanto possível, as condições reais da solicitação de tráfego e a resposta da infra-estrutura. Os métodos analíticos utilizados na avaliação estrutural consistem na verificação da capacidade de carga e estimativa da vida útil da estrutura, através de critérios que relacionam a acção do tráfego e os consequentes estados de tensão e de deformação induzidos nas camadas da estrutura e na fundação. O Deflectómetro de Impacto (FWD) e o Deflectómetro de Impacto Portátil (DIP) são, actualmente, dois dos equipamentos de uso mais generalizado para a realização de ensaios de carga. No presente trabalho é apresentado o estado de arte da avaliação da capacidade de carga de infra-estruturas de transportes, sendo efectuada uma descrição com maior pormenor do FWD e do DIP. São apresentados resultados de alguns estudos efectuados em Portugal e no mundo utilizando estes dois equipamentos. O caso de estudo apresentado nesta dissertação consiste na modelação estrutural de um trecho experimental de uma plataforma ferroviária, efectuada com base em ensaios de carga realizados com o FWD e DIP sobre a camada de sub-balastro granular. Neste contexto foi analisada a eficiência dos ensaios de carga e o grau de correlação entre os resultados obtidos pelos dois equipamentos.

Segurança em obras de construção de infra-estruturas através de abertura e tapamento de vala

O trabalho final a apresentar no âmbito do mestrado, refere-se ao estágio realizado nos Serviços Municipalizados de Loures (SMAS-Loures), focalizando essencialmente, as actividades ligadas à fiscalização e coordenação de segurança em obras de infra-estruturas de água e águas residuais, com recurso à abertura de vala. A realização deste estágio permitiu reunir e verificar, técnicas, tecnologias e métodos aplicados: antes, durante e após a execução deste tipo de obras. Foi tido como objectivo a sistematização destas actividades, permitindo simplificar a leitura e compreensão das normas e regras a seguir pelos intervenientes envolvidos nas obras de infra-estruturas.

Análise custo-benefício de infra-estruturas rodoviárias: metodologias de implementação

Na sequência das preocupações de ausência dos custos externos na análise de projectos rodoviários, foram realizados diversos estudos (EUNET/SASI, FISCUS, HEATCO, PETS, UNITE, GRACE, IMPACT) com vista a identificar e quantificar os impactes reais das actividades de transporte rodoviário. Nesses projectos foram apresentadas diversas metodologias para quantificação dos custos e também benefícios associados aos sistemas de transporte, nomeadamente das infra-estruturas rodoviárias. Para o efeito foram analisadas várias categorias de custo (custos da infra-estrutura, custos do congestionamento, custos da operação dos veículos, custos dos acidentes, custos do ruído, custos da poluição atmosférica, custos do aquecimento global). Nesta dissertação utilizou-se cinco modelos de determinação de custos de infra-estruturas rodoviárias que posteriormente foram calibrados ao caso português para aplicação em estudo de casos em Portugal de duas formas, avaliação de projectos de infra-estruturas rodoviárias e identificação e fixação de preços, nomeadamente associados às portagens. A avaliação de projectos de infra-estruturas rodoviárias foi realizada através da utilização de indicadores de custos totais e médios, utilizando para o efeito dois modelos: o HDM-4 – Highway Development and Management (PIARC, 2001) e o COBA – Cost Benefit Analysis (TRL, 2004) que utilizam custos totais e um modelo proposto pelo autor com base numa síntese e adaptação de submodelos desenvolvidos nos projectos europeus já referidos que utiliza custos médios. A análise associada à identificação dos custos marginais relevantes para a fixação de preços foi realizada através do modelo desenvolvido no projecto europeu, GRACE – Generalisation of Research on Accounts and Cost Estimation (ITS et al., 2008), e de um modelo proposto pelo autor. Após a adaptação e/ou construção dos modelos, estes foram aplicados ao estudo de três situações específicas em infra-estruturas rodoviárias nacionais. Referem-se intervenções na estrada nacional EN125 que liga Vila do Bispo a Vila Real de Santo António (no Algarve), na auto-estrada A7 que liga Póvoa de Varzim a Vila Pouca de Aguiar (Norte de Portugal) e na auto-estrada A9 que liga o Estádio Nacional em Oeiras a Alverca (região de Lisboa).

Sistemas de monitorização e manutenção de infra-estruturas ferroviárias: rede convencional e alta velocidade

A decisão de realizar trabalhos de manutenção ou de construção de novas linhas, depende fundamentalmente do tipo e frequência das circulações, assim como dos parâmetros de qualidade e conforto pretendidos em cada situação. Os custos de manutenção duma infra-estrutura rodoviária dependem dos meios humanos e equipamentos pesados envolvidos, assim como da coordenação e planeamento das operações a realizar, que por sua vez dependem do estado de degradação da via. Um bom planeamento de manutenção constitui por isso um vector fundamental de gestão das modernas administrações ferroviárias. Esta questão tem sido nos últimos anos bastante referida e contemplada pelo gestor da infra-estrutura nacional - a REFER, que contratou em 2005, o Consórcio Ferrovias/Monta-Egil/Visabeira para a conservação da então denominada ZOCL - Zona Operacional de Conservação de Lisboa, num total de quase 700 Km de via-férrea, tendo posteriormente contratado a conservação de outras zonas do país a consórcios que seguiram a mesma linha de orientação. O proponente faz parte do corpo técnico, que gere o contrato anteriormente referido, pelo que o presente relatório visa essencialmente traduzir a experiência adquirida em trabalhos desta natureza. O relatório apresenta por isso, do ponto de vista contratual, alguns sistemas e formas de manutenção das vias-férreas balastradas convencionais, alguns dos equipamentos pesados mais usados na realização destes trabalhos assim como a sistematização de operações encontrada pela REFER para fazer face às necessidades de conservação das suas linhas. O relatório apresenta também o sistema informático - SMIF (Sistema de Manutenção de Infra-Estruturas Rodoviárias) - desenvolvido durante o período de vigência do contrato para optimizar a realização dos trabalhos desta natureza, por forma a optimizar os meios envolvidos e a diminuir os custos de intervenção. Faz-se também uma pequena alusão ao equipamento de detecção de defeitos usado em Portugal e em alguns países da Europa.