Virus removal in ceramic depth filters: the electrostatic enhanced adsorption approach

Diese Arbeit untersucht den Einsatz von keramischen Materialien in der Trinkwasseraufbereitung mittels Filtration und fokussiert dabei die Entfernung von Viren. Herkömmliche, auf Kieselgur basierende Tiefenfilter (Filterkerzen) mit Porengrößen im unteren Mikrometerbereich, werden hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens gegenüber Kolloiden (Viren sowie Polystyrolpartikel) untersucht, um deren Einsatzfähigkeit in der Entfernung von Mikroorganismen im Allgemeinen abschätzen zu können. Ferner wird gezeigt, wie durch ein einfaches Verfahren solche Filter modifiziert werden können, um auch kleinste Viren mit ca. 30 nm Durchmessern aus dem Rohwasser zu entfernen. Die Zugabe von MgO während der Granulierungsstufe im Herstellungsprozess der Filterkerzen bewirkt eine erhebliche Verbesserung des Virenrückhalts bis zu über 99.9999%. Die experimentellen Ergebnisse wurden dabei mit theoretischen Modellen verglichen, um Aussagen über die Mechanismen der Virenentfernung treffen zu können.:Contents Chapter I Introduction 1 Chapter II Removal or inactivation of microorganisms, in particular viruses, for drinking water purposes with focus on small-scale, decentralised systems: A literature review 7 II. I Physical and chemical treatments 8 II. II Filtration processes 10 II. III Conclusions 15 Chapter III Mechanisms of adsorption in depth filtration 17 III.I Surface charge and the electrical double layer 18 III.II van der Waals interactions 22 III.III DLVO theory 23 III.IV Non-DLVO forces 25 III.V Extended DLVO Theory 27 Chapter IV Virus adsorption studies 29 IV.I A literature review 30 IV.I.I Virus concentration by adsorption-elution 33 IV.I.II Improved virus adsorption in filtration 35 IV.II The electrostatic enhanced adsorption approach 37 Chapter V Viruses 39 V.I Literature review 40 V.I.I Structure and morphology 40 V.I.II The viral life cycle 41 V.I.III Human pathogenic viruses in the aquatic environment 42 V.II Experimental 46 V.II.I The choice of viruses for adsorption studies 46 V.II.II Propagation and enumeration of the bacteriophages 48 V.II.III Characterisation of bacteriophages 51 V.III Results and discussion 54 V.III.I Production of high-titre and high-purity phage stocks 54 V.III.II Characteristics of bacteriophages 59 V.III.III Detection of a viral contaminant - the ‘Siphophage’ 64 Chapter VI The diatomaceous earth-based depth filter 69 VI.I Literature review 70 VI.I.I Diatomaceous earth 70 VI.I.II Retention of microorganisms in the DE-based depth filter 71 VI.II Experimental 73 VI.II.I Manufacturing the depth filter 73 VI.II.II Physical characterisation 74 VI.II.III Performing filter retention tests 75 VI.II.IV Latex retention test 76 VI.II.V Studying adsorption kinetics in a batch experiment 79 VI.II.VI Applying (X-)DLVO theory 80 VI.III Results and discussion 83 VI.III.I Characterisation of the depth filter 83 VI.III.II Latex removal in the depth filter 86 VI.III.III Filter performance on virus removal 94 VI.III.IV Batch-sorption experiments 99 VI.IV Summary and conclusions 102 Chapter VII The magnesium oxide modified depth filter 103 VII.I Experimental 104 VII.I.I Choice of the adsorbent material 104 VII.I.II Manufacturing the MgO-modified filter and characterisation methods 105 VII.II Results and discussion 106 VII.II.I The adsorbent: Magnesium oxide powder 106 VII.II.II Physical characterisation of modified depth filters 108 VII.II.III Virus removal in depth filters containing MgO 113 VII.II.IV Ageing behaviour of MgO modified filters 118 VII.II.V Discussion on the removal mechanisms 130 VII.III Summary and conclusions 134 Chapter VIII Summary, conclusions and outlook 135 VIII.I Summary and conclusions 136 VIII.II Outlook 137 Abbreviations, symbols and physical constants 139 Reference list 14

PYRO-NN: Python Reconstruction Operators in Neural Networks

Purpose: Recently, several attempts were conducted to transfer deep learning to medical image reconstruction. An increasingly number of publications follow the concept of embedding the CT reconstruction as a known operator into a neural network. However, most of the approaches presented lack an efficient CT reconstruction framework fully integrated into deep learning environments. As a result, many approaches are forced to use workarounds for mathematically unambiguously solvable problems. Methods: PYRO-NN is a generalized framework to embed known operators into the prevalent deep learning framework Tensorflow. The current status includes state-of-the-art parallel-, fan- and cone-beam projectors and back-projectors accelerated with CUDA provided as Tensorflow layers. On top, the framework provides a high level Python API to conduct FBP and iterative reconstruction experiments with data from real CT systems. Results: The framework provides all necessary algorithms and tools to design end-to-end neural network pipelines with integrated CT reconstruction algorithms. The high level Python API allows a simple use of the layers as known from Tensorflow. To demonstrate the capabilities of the layers, the framework comes with three baseline experiments showing a cone-beam short scan FDK reconstruction, a CT reconstruction filter learning setup, and a TV regularized iterative reconstruction. All algorithms and tools are referenced to a scientific publication and are compared to existing non deep learning reconstruction frameworks. The framework is available as open-source software at \url{https://github.com/csyben/PYRO-NN}. Conclusions: PYRO-NN comes with the prevalent deep learning framework Tensorflow and allows to setup end-to-end trainable neural networks in the medical image reconstruction context. We believe that the framework will be a step towards reproducible researchComment: V1: Submitted to Medical Physics, 11 pages, 7 figure

Armierung von NK-Zellen mit den PSCA-spezifischen chimären Antigenrezeptoren NKp46-αPSCA und NKp46-KiBAP-αPSCA

Bei den konventionellen Krebstherapien kommt es häufig zu einer Wiederkehr des Tumors, da meist einzelne Tumorzellen und abgesiedelte Metastasen im Körper verbleiben. Vor diesem Hintergrund hat die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden, die spezifisch die Tumorzellen erkennen und eliminieren und zudem gesunde Körperzellen schonen, eine große Bedeutung in der heutigen Krebsforschung. Eine erfolgsversprechende Strategie ist die Generierung von tumorspezifischen, zytotoxischen Immuneffektorzellen, zum Beispiel T-Lymphozyten und Natürlichen Killerzellen, durch die genetische Modifikation mit einem chimären Antigenrezeptor (CAR). Dabei gibt es bereits weitreichende Studien mit T-Lymphozyten, so dass sich nun das Forschungsinteresse immer mehr auf die NK-Zellen richtet. Im Gegensatz zu CAR-armierten T-Lymphozyten sind sie in der Lage ihr antitumorales Potenzial nicht nur gegen Antigen-positive sondern auch MHC-Klasse I-negative Tumorzellen zu richten. Mögliche Zielstrukturen der CAR sind tumorassoziierte Antigene, wie das Prostata-spezifische Stammzellantigen (PSCA). Es wird auf über 94 % der humanen primären Prostatakarzinome und deren Knochenmetastasen verstärkt exprimiert, jedoch kaum auf Normalgewebe. PSCA ist somit ideal für eine Immuntherapie geeignet. Die bisher in Studien verwendeten CAR-armierten NK-Zellen wiesen eine feststehende Spezifität gegenüber einem bestimmten Tumorantigen auf. Allerdings ist die Expression von Tumorantigenen innerhalb des Tumors sehr heterogen oder wird durch Tumorevasionsmechanismen herunterreguliert. Dies begrenzt die Reaktivität CAR-armierter NK-Zellen. Durch die Generierung eines CAR, dessen Spezifität gegenüber einem Tumorantigen ausgetauscht werden kann, wäre der universelle Einsatz CAR-armierter NK-Zellen in der adjuvanten Immuntherapie von Tumorerkrankungen möglich. Im Hauptteil dieser Arbeit wurden die permanente NK-Zelllinie YTS und primäre humane NK-Zellen mittels lentiviralen Gentransfers mit einem PSCA-spezifischen CAR, bestehend aus dem gegen PSCA gerichteten Einzelkettenantikörper αPSCA und dem aktivierenden NK-Zellrezeptor NKp46, armiert. Die generierten NK-Zellen wiesen eine über längere Zeiträume stabile Oberflächenexpression des CAR αPSCA-NKp46 auf. Die Kreuzvernetzung des CAR mit seinem Antigen führte zunächst zu keiner selektiven Immunantwort der CAR-armierten YTS und primären NK-Zellen gegenüber histogenetisch verschiedenen, PSCA-exprimierenden Tumorzelllinien. Erst nach gleichzeitiger Überexpression des mit NKp46 assoziierten Signaladaptermoleküls CD3-ζ wurde eine Aktivierung der Effektorfunktionen der YTS NK-Zellen induziert. Dies zeigte sich zum einen in der Expression von CD107a als Degranulationsmarker sowie der Freisetzung des inflammatorischen Zytokins IFN-γ. Zum anderen wiesen die CAR-armierten und CD3-ζ-exprimierenden YTS NK-Zellen eine spezifische Zytotoxizität gegenüber MHC-Klasse I- und PSCA-exprimierenden Tumorzellen auf. Im anschließenden Teil der Arbeit wurde ein modular aufgebauter CAR generiert, bei dem der Einzelkettenantikörper und folglich die Spezifität gegenüber Tumorantigenen austauschbar ist. Dazu wurden YTS NK-Zellen durch lentiviralen Gentransfer mit dem biotinylierbaren NKp46-NK-Zellrezeptor NKp46-KiBAP modifiziert, der über mehrere Monate stabil auf der Oberfläche exprimiert wurde. Die exogene als auch endogene Biotinylierung des Rezeptors wurde mittels einer Biotinproteinligase demonstriert. Unter Ausnutzung der sehr starken Biotin-Avidin-Bindung wurde die Assoziation mit einem Einzelkettenantikörper nachgewiesen. Dafür wurde exemplarisch der gegen PSCA gerichtete, biotinylierbare Einzelkettenantikörper αPSCA-BAP verwendet. Diese Arbeit zeigt, dass eine spezifische Erkennung und effiziente Lyse von PSCA-exprimierenden Tumorzellen durch die generierten CAR-armierten NK-Zellen erfolgte, wobei zum ersten Mal NKp46 als Bestandteil eines CAR verwendet wurde. Zudem wurde ein modular aufgebauter CAR generiert, dessen Spezifität gegenüber Tumorantigenen austauschbar ist. Diese neuartige Strategie ermöglicht erstmalig eine flexible Armierung von NK-Zellen und stellt damit einen wesentlichen Vorteil bei der Behandlung verschiedener Krebserkrankungen dar

Adiabatic preparation of fractional Chern insulators from an effective thin-torus limit

We explore the quasi one-dimensional (thin torus, or TT) limit of fractional Chern insulators (FCIs) as a starting point for their adiabatic preparation in quantum simulators. Our approach is based on tuning the hopping amplitude in one direction as an experimentally amenable knob to dynamically change the effective aspect ratio of the system. Similar to the TT limit of fractional quantum Hall (FQH) systems in the continuum, we find that the hopping-induced TT limit adiabatically connects the FCI state to a trivial charge density wave (CDW) ground state. This adiabatic path may be harnessed for state preparation schemes relying on the initialization of a CDW state followed by the adiabatic decrease of a hopping anisotropy. Our findings are based on the calculation of the excitation gap in a number of FCI models, both on a lattice and consisting of coupled wires. By analytical calculation of the gap in the limit of strongly anisotropic hopping, we show that its scaling is compatible with the preparation of large size FCIs for sufficiently large hopping anisotropy. Our numerical simulations in the framework of exact diagonalization explore the full anisotropy range to corroborate these results

Targeted delivery of TLR3 agonist to tumor cells with single chain antibody fragment-conjugated nanoparticles induces type I-interferon response and apoptosis

Application of Toll-like receptor (TLR) agonists is a promising approach to treat cancer. In particular, nucleic acid-based TLR agonists such as short ssRNA and dsRNA molecules, which activate endosomal TLRs, can be delivered to tumors by use of nanoparticle delivery systems. However, such delivery systems bear unspecific side effects and poor pharmacokinetics. To overcome these limitations we developed a system for targeted delivery of a 50 bp dsRNA TLR3 agonist (Riboxxol) to treat PSCA-positive tumor cells, which consists of neutravidin conjugated to mono-biotinylated dsRNA and to humanized mono-biotinylated anti-PSCA single chain antibody derivative scFv(h-AM1)-BAP. The assembly of the components resulted in the formation of nanoparticle-like immunoconjugates designated Rapid Inducer of Cellular Inflammation and Apoptosis (RICIA). Anti-PSCA-RICIA exclusively delivered Riboxxol to PSCA-positive tumor cells as well as subcutaneous tumors. Uptake of anti-PSCA-RICIA induced a type I-interferon response and apoptosis in HEK-Blue hTLR3/PSCA reporter cells and PSCA-positive HT1376 bladder cancer cells in vitro. No such effects were observed when using RICIA coupled to an unspecific control antibody or when using Riboxxol alone. Treatment of HT1376 xenografts in immune-deficient hosts with targeted delivery of TLR3 agonist did not induce adverse effects and only modestly inhibited tumor growth when compared to controls. These results suggest promising activation of innate immune response and apoptosis upon selective delivery of TLR3 agonists in tumor cells. Yet, further studies using syngeneic and orthotopic tumor models are needed to fully exploit the potential of RICIA immunoconjugates. © 2019, The Author(s)

Estudios reales en banco de pruebas de la Casa ETH de Recursos Naturales – protección superficial de la madera para aplicaciones exteriores

The increasing demand for sustainable construction materials used in urban areas calls for novel wood protective coatings, which retain the natural appearance of wood while minimizing maintenance intervals. This work reports on three different wood surface modification processes and evaluates their protective effect against weathering after installation at a testing façade of the ETH House of Natural Resources (HoNR), a recently opened living lab located in Zürich, Switzerland. We monitored the discoloration upon outdoor exposure of subsequently improved generations of thin metal oxide coatings developed in our lab. We target almost transparent and durable coatings with water repellent properties to diminish discoloration due to UV light and biological attack. This should lead to wooden facades with increased reliability and thereby boost an enhanced utilization of the renewable and CO2 storing resource wood.La creciente demanda de materiales de construcción sostenibles en áreas urbanas requiere nuevos recubrimientos protectores de madera, que conservan el aspecto natural de la madera al tiempo que minimizan los periodos de mantenimiento. Este trabajo presenta tres procesos diferentes de modificación de superficies de madera y evalúa su efecto protector contra la intemperie después de la aplicación en una fachada de prueba de la Casa de Recursos Naturales ETH (HoNR), un living lab recientemente abierto ubicado en Zürich, Suiza. Se controló la decoloración después de la exposición al aire libre de las formulaciones mejoradas de revestimientos delgados de óxido de metal desarrollados en el laboratorio. Se hizo hincapié en recubrimientos casi transparentes y duraderos con propiedades hidrófugas para disminuir la decoloración debida a la luz ultravioleta y al ataque biológico. Esto debería conducir a fachadas de madera con una mayor durabilidad y, por lo tanto, impulsar una utilización mejorada de recursos renovables y de almacenamiento de CO2

Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Characterizing the size and colloidal state of nanoparticles

Standard transmission electron microscopy nanoparticle sample preparation generally requires the complete removal of the suspending liquid. Drying often introduces artifacts, which can obscure the state of the dispersion prior to drying and preclude automated image analysis typically used to obtain number-weighted particle size distribution. Here we present a straightforward protocol for prevention of the onset of drying artifacts, thereby allowing the preservation of in-situ colloidal features of nanoparticles during TEM sample preparation. This is achieved by adding a suitable macromolecular agent to the suspension. Both research- and economically-relevant particles with high polydispersity and/or shape anisotropy are easily characterized following our approach (http://bsa.bionanomaterials.ch), which allows for rapid and quantitative classification in terms of dimensionality and size: features that are major targets of European Union recommendations and legislation