Math can help uncover cancer's secrets | Irina Kareva

المترجم: Nawal Sharabati المدقّق: Abd Al-Rahman Al-Azhurry

I am a translator.

أنا مترجمة من نوعٍ خاص.

I translate from biology into mathematics

أترجمُ من علم الأحياء إلى الرياضيات.

and vice versa.

والعكس صحيح أيضًا.

I write mathematical models

أكتب نماذج رياضية

which, in my case, are systems of differential equations,

والتي هي في حالتي أنظمة لمعادلات تفاضلية

to describe biological mechanisms,

لوصف آليات بيولوجية كنمو الخلية.

such as cell growth.

Essentially, it works like this.

الأمر كالتالي بشكلٍ أساسيٍ.

First, I identify the key elements

أولًا، أحدد العناصر الجوهرية

that I believe may be driving behavior over time

التي أعتقد أنها قد تحفزُ السلوكيات لآلية معينة مع مرور الزمن.

of a particular mechanism.

Then, I formulate assumptions

ومن ثم أصوغ الافتراضات

about how these elements interact with each other

عن كيفية تفاعل هذه العناصر مع بعضها البعض ومع بيئتها.

and with their environment.

It may look something like this.

قد تبدو شيئًا من هذا القبيل.

Then, I translate these assumptions into equations,

ثم أحول هذه الافتراضات إلى معادلات،

which may look something like this.

والتي قد تبدو شيئًا من هذا القبيل.

Finally, I analyze my equations

أخيرًا، أحلّل معادلاتي

and translate the results back into the language of biology.

وأحوّل النتائج مجددًا إلى لغة علم الأحياء.

A key aspect of mathematical modeling

الجانب الجوهري من النَمذجة الرياضية

is that we, as modelers, do not think about what things are;

هو أننا كواضعي النماذج، لا نفكرُ بماهية الأشياء،

we think about what they do.

بل نفكر فيما تقوم به الأشياء.

We think about relationships between individuals,

ونفكر بالعلاقات بين الأفراد،

whether they be cells, animals or people,

سواءً كانت خلايا أو حيوانات أو أشخاص،

and how they interact with each other and with their environment.

وكيف تتفاعل مع بعضها البعض ومع بيئتها.

Let me give you an example.

دعوني أعطيكم مثالًا.

What do foxes and immune cells have in common?

ما المشترك بين الثعالب والخلايا المناعية؟

They're both predators,

كلاهما مفترس.

except foxes feed on rabbits,

ما عدا أن الثعالب تتغذى على الأرانب،

and immune cells feed on invaders, such as cancer cells.

والخلايا المناعية تتغذى على المتطفلين كالخلايا السرطانية.

But from a mathematical point of view,

لكن من وجهة نظر رياضية،

a qualitatively same system of predator-prey type equations

نفس النظام النوعي من معادلات النمط "مفترس وفريسة"

will describe interactions between foxes and rabbits

يصف التفاعل بين الثعالب والأرانب وبين السرطان والخلايا المناعية.

and cancer and immune cells.

Predator-prey type systems have been studied extensively

دُرست أنظمة النمط "مفترس وفريسة" على نطاقٍ واسع في المراجع العلمية

in scientific literature,

describing interactions of two populations,

لوصف التفاعلات بين شعبين،

where survival of one depends on consuming the other.

حيث يعتمدُ بقاء أحدهما على استهلاك الآخر.

And these same equations provide a framework

وتوفّر نفس هذه المعادلات إطار عمل

for understanding cancer-immune interactions,

لفهم التفاعلات المناعية للسرطان،

where cancer is the prey,

حيث يكون السرطان هو الفريسة،

and the immune system is the predator.

والجهاز المناعي هو المفترس.

And the prey employs all sorts of tricks to prevent the predator from killing it,

وتمارس الفريسة جميع أنواع الحيل لمنع المفترس من قتلها،

ranging from camouflaging itself

بدءًا من التمويه وحتى سرقة طعام المفترس.

to stealing the predator's food.

This can have some very interesting implications.

قد يترتب عن ذلك بعض الآثار المثيرة للاهتمام للغاية.

For example, despite enormous successes in the field of immunotherapy,

على سبيل المثال، رغم النجاحات الهائلة في مجال العلاج المناعي،

there still remains somewhat limited efficacy

لا تزال الفعالية محدودة إلى حدٍ ما

when it comes solid tumors.

عندما يتعلق الأمر بالأورام الصلبة.

But if you think about it ecologically,

لكن لو فكرتم بالأمر من ناحية بيئية،

both cancer and immune cells --

كل من السرطان والخلايا المناعية،

the prey and the predator --

أي الفريسة والمفترس،

require nutrients such as glucose to survive.

بحاجة إلى العناصر المغذية مثل الجلوكوز للبقاء.

If cancer cells outcompete the immune cells for shared nutrients

لو هزمت الخلايا السرطانية الخلايا المناعية لإحضار المغذيات المشتركة

in the tumor microenvironment,

في البيئة المحيطة المتناهية الصغر للورم،

then the immune cells will physically not be able to do their job.

بالتالي لن تكون الخلايا المناعية قادرة فعليًا على أداء وظيفتها.

This predator-prey-shared resource type model

هذا النموذج من نمط مشاركة الموارد بين المفترس والفريسة

is something I've worked on in my own research.

هو أمر عملتُ عليه في بحثي.

And it was recently shown experimentally

وأظهر مؤخرًا النتيجة التالية تجريبيًا

that restoring the metabolic balance in the tumor microenvironment --

أن إعادة التوازن الأيضي مجددًا في البيئة المحيطة المتناهية الصغر للورم

that is, making sure immune cells get their food --

أي التأكد من أن الخلايا المناعية تحصل على طعامها،

can give them, the predators, back their edge in fighting cancer, the prey.

سيعيد لهم، أي المفترسين، قوتهم في مكافحة السرطان باعتباره الفريسة.

This means that if you abstract a bit,

بمعنى فيما لو اختصرت قليلًا،

you can think about cancer itself as an ecosystem,

يمكنكم التفكير بالسرطان نفسه كنظام بيئي،

where heterogeneous populations of cells compete and cooperate

حيث يتنافس ويتعاون عدد متنوع من الخلايا

for space and nutrients,

على المكان والعناصر المُغذية،

interact with predators -- the immune system --

كما تتفاعل مع المفترسين أي الجهاز المناعي،

migrate -- metastases --

وتنتقل أي ينتشر السرطان،

all within the ecosystem of the human body.

ضمن النظام البيئي لجسم الإنسان.

And what do we know about most ecosystems from conservation biology?

وما الذي نعرفه حول معظم الأنظمة البيئية من علم الأحياء المتحفظ؟

That one of the best ways to extinguish species

أن إحدى أفضل الوسائل لتمييز المخلوقات

is not to target them directly

هو عدم استهدافها مباشرة

but to target their environment.

ولكن استهداف بيئتها.

And so, once we have identified the key components

وهكذا، حالما نحدد العناصر الجوهرية المكونة لبيئة الورم

of the tumor environment,

we can propose hypotheses

نستطيع اقتراح فرضيات

and simulate scenarios and therapeutic interventions

ومحاكاة الحالات والتدخلات العلاجية

all in a completely safe and affordable way

كل ذلك بطريقةٍ آمنةٍ بالكامل وموفّرةٍ أيضًا.

and target different components of the microenvironment

لاستهداف المكونات المختلفة للبيئة المحيطة متناهية الصغر

in such a way as to kill the cancer without harming the host,

بطريقةٍ تقتل السرطان دون الضرر بالمضيف،

such as me or you.

مثلي أو مثلكم.

And so while the immediate goal of my research

ولذا، رغم أن االهدف الأساسي من بحثي

is to advance research and innovation

هو إحراز التقدم في البحث والابتكار

and to reduce its cost,

والتقليل من تكاليفها،

the real intent, of course, is to save lives.

إلا أن الغاية الفعلية هي بالتأكيد إنقاذ الأرواح.

And that's what I try to do

وهذا ما أحاول القيام به

through mathematical modeling applied to biology,

من خلال تطبيق النمذجة الرياضية على علم الأحياء

and in particular, to the development of drugs.

ولا سيما على تطوير العقاقير.

It's a field that until relatively recently has remained somewhat marginal,

وهو مجال بقي مهمشًا إلى حد ما حتى عهدٍ قريبٍ نسبيًا

but it has matured.

لكنه تطور.

And there are now very well-developed mathematical methods,

وهناك الآن نظرياتٌ رياضيةٌ متطورةٌ بشكلٍ جيدٍ

a lot of preprogrammed tools,

والكثير من الأدوات المبرمجة مسبقًا

including free ones,

بما فيها الأدوات المجانية،

and an ever-increasing amount of computational power available to us.

وقدر يتزايد بشكل غير مسبوق من فعالية استخدام الحواسيب المتاحة لنا.

The power and beauty of mathematical modeling

فعالية وجمال النمذجة الرياضية

lies in the fact that it makes you formalize,

تكمنُ في أنها تجعلنا نضفي الطابع الرسمي

in a very rigorous way,

وبطريقةٍ دقيقةٍ جدًا،

what we think we know.

على ما نعتقد أننا نعرفه.

We make assumptions,

نضع الافتراضات،

translate them into equations,

ونحولها إلى معادلات،

run simulations,

ونديرُ عمليات المحاكاة،

all to answer the question:

كل ذلك لنجيب على السؤال:

In a world where my assumptions are true,

في عالمٍ تكون فيه افتراضاتي صحيحة

what do I expect to see?

ما الذي أتوقع رؤيته؟

It's a pretty simple conceptual framework.

إنه إطار عملٍ عقلانيٍ بسيطٍ جدًا.

It's all about asking the right questions.

وهو متعلقٌ بطرح الأسئلة الصحيحة.

But it can unleash numerous opportunities for testing biological hypotheses.

لكن يمكن له أن يطلق العنان لفرصٍ عديدةٍ لاختبار نظريات علم الأحياء.

If our predictions match our observations,

إن تطابقت توقعاتنا مع ملاحظاتنا،

great! -- we got it right, so we can make further predictions

فهذا رائع وكنا على صواب،

ويمكننا بهذا إجراء المزيد من التوقعات وفق تغيير هذا أو ذاك الجانب من النموذج.

by changing this or that aspect of the model.

If, however, our predictions do not match our observations,

أما إذا لم تتطابق توقعاتنا مع ملاحظاتنا

that means that some of our assumptions are wrong,

فهذا يعني أن بعض افتراضاتنا خاطئة،

and so our understanding of the key mechanisms

وبهذا لا يكتمل فهمنا للقوى الجوهرية المحركة لعلم الأحياء الكامن بعد.

of underlying biology

is still incomplete.

Luckily, since this is a model,

لحسن الحظ، وبما أن هذا مجرد نموذج،

we control all the assumptions.

فنحنُ مسيطرون على كل الافتراضات.

So we can go through them, one by one,

ويمكننا أن نفحصها، واحدة تلو الأخرى،

identifying which one or ones are causing the discrepancy.

ونحدد أيها التي تسببت بالتناقض.

And then we can fill this newly identified gap in knowledge

ومن ثم نستطيع ملء هذه الفجوة العلمية الجديدة

using both experimental and theoretical approaches.

باستخدام الوسائل التجريبية والنظرية على حدٍ سواء.

Of course, any ecosystem is extremely complex,

بالتأكيد، يعتبر أي نظام بيئي معقد للغاية،

and trying to describe all the moving parts is not only very difficult,

ومحاولة وصف كل الأجزاء المتحركة ليس صعبًا للغاية وحسب،

but also not very informative.

ولكنه لا يوفر الكثير من المعلومات أيضًا.

There's also the issue of timescales,

كما يوجد مشكلة الأطر الزمنية.

because some processes take place on a scale of seconds, some minutes,

لأن بعض العمليات تستغرق ثانية من الزمن، وبعضها دقائق،

some days, months and years.

والبعض أيامًا وشهورًا وسنوات.

It may not always be possible to separate those out experimentally.

وقد لا يكون من الممكن فصلها تجريبيًا في كل الأوقات.

And some things happen so quickly or so slowly

كما تحدث بعض الأشياء بسرعةٍ كبيرةٍ أو ببطءٍ شديدٍ

that you may physically never be able to measure them.

بحيث قد لا تتمكنوا من قياسها بشكل واضح.

But as mathematicians,

ولكن كعلماء رياضيات،

we have the power to zoom in on any subsystem in any timescale

لدينا القدرة للتركيز عن قربٍ على أي نظامٍ فرعيٍ

وفي أي إطارٍ زمنيٍ

and simulate effects of interventions

وتحفيز آثار التدخلات

that take place in any timescale.

التي تحدث في أي إطارٍ زمنيٍ.

Of course, this isn't the work of a modeler alone.

وهذا ليس عمل المنمذج بمفرده بالطبع.

It has to happen in close collaboration with biologists.

يجب أن يتم هذا بتعاون وثيق مع علماء الأحياء.

And it does demand some capacity of translation

ويتطلب ذلك القليل من قدرة التحويل لكلا الجانبين.

on both sides.

But starting with a theoretical formulation of a problem

لكن البدء من التشكيل النظري للمشكلة

can unleash numerous opportunities for testing hypotheses

يتيح لنا كمًا هائلًا من الفرص لاختبار الافتراضات

and simulating scenarios and therapeutic interventions,

وتحفيز الحالات والتدخلات العلاجية

all in a completely safe way.

بطريقةٍ آمنةٍ تمامًا.

It can identify gaps in knowledge and logical inconsistencies

يمكن لها تحديد الفجوات المعلوماتية وعدم التناسق المنطقي

and can help guide us as to where we should keep looking

ويمكنها المساعدة في إرشادنا إلى حيث ينبغي علينا التركيز

and where there may be a dead end.

وحيث قد يكون هناك طرقًا مسدودة.

In other words:

بكلماتٍ أخرى:

mathematical modeling can help us answer questions

يمكنُ للنماذج الرياضية مساعدتنا على الإجابة عن الأسئلة

that directly affect people's health --

التي تؤثر مباشرة على صحة البشر.

that affect each person's health, actually --

التي تؤثر على صحة كل إنسان في الحقيقة،

because mathematical modeling will be key

لأن النمذجة الرياضية ستكون الأساس

to propelling personalized medicine.

لدفع الطب التخصصي إلى الأمام.

And it all comes down to asking the right question

وكل ذلك مرتبط بطرح السؤال الصحيح

and translating it to the right equation ...

وتحويله إلى المعادلة الصحيحة،

and back.

وبالعكس.

Thank you.

شكرًا لكم.

(Applause)