Math can help uncover cancer's secrets | Irina Kareva

Translator: Yordanka Stefanova Reviewer: Darina Stoyanova

I am a translator.

Аз съм преводач.

I translate from biology into mathematics

Превеждам биологията на езика на математиката

and vice versa.

и обратното.

I write mathematical models

Пиша математически модели,

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

които, в моя случай, са системи от диференциални уравнения,

to describe biological mechanisms,

за да опиша биологични механизми,

such as cell growth.

като растежа на клетките.

Essentially, it works like this.

Това става по следния начин.

First, I identify the key elements

Първо, идентифицирам ключовите елементи,

that I believe may be driving behavior over time

които смятам, че с времето могат да влияят на поведението

of a particular mechanism.

на определен механизъм.

Then, I formulate assumptions

След това формулирам предположения

about how these elements interact with each other

за начина, по който тези елементи взаимодействат помежду си

and with their environment.

и с обкръжаващата ги среда.

It may look something like this.

Може да изглежда по този начин.

Then, I translate these assumptions into equations,

След това превеждам тези предположения в уравнения,

which may look something like this.

които може да изглеждат ето така.

Finally, I analyze my equations

Накрая анализирам уравненията си

and translate the results back into the language of biology.

и превеждам резултатите обратно на езика на биологията.

A key aspect of mathematical modeling

Ключов аспект на математическото моделиране е,

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

че тези, които го правим, не мислим за това какви са нещата;

we think about what they do.

ние мислим за това, което правят.

We think about relationships between individuals,

Ние мислим за взаимоотношенията между субектите,

whether they be cells, animals or people,

независимо дали са клетки, животни или хора,

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

и за това как взаимодействат помежду си и със своето обкръжение.

Let me give you an example.

Нека ви дам един пример.

What do foxes and immune cells have in common?

Какво общо имат лисиците и имунните клетки?

They're both predators,

Общото е, че са хищници,

except foxes feed on rabbits,

само че лисиците се хранят със зайци,

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

а имунните клетки се хранят с натрапници, като раковите клетки.

But from a mathematical point of view,

Но от математическа гледна точка,

a qualitatively same system of predator-prey type equations

се използва качествено еднаква система от уравнения тип хищник-плячка

will describe interactions between foxes and rabbits

за описване на взаимодействията между лисиците и зайците

and cancer and immune cells.

и между раковите и имунните клетки.

Predator-prey type systems have been studied extensively

Системите от типа хищник-плячка са добре изучени

in scientific literature,

в научната литература,

describing interactions of two populations,

описани са взаимодействията между две популации,

where survival of one depends on consuming the other.

където оцеляването на едната зависи от консумирането на другата.

And these same equations provide a framework

Именно тези уравнения осигуряват рамка

за разбиране на взаимодействието между рака и имунитета,

for understanding cancer-immune interactions,

where cancer is the prey,

където ракът е жертвата,

and the immune system is the predator.

а имунната система е хищникът.

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

Жертвата използва всякакви трикове, за да попречи на хищника да я убие,

ranging from camouflaging itself

от техники за маскиране

to stealing the predator's food.

до кражба на храната на хищника.

This can have some very interesting implications.

Това може да има някои много интересни последствия.

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

Например, въпреки огромния успех в сферата на имунологията,

there still remains somewhat limited efficacy

все още има ограничена ефикасност,

when it comes solid tumors.

когато става въпрос за плътни тумори.

But if you think about it ecologically,

Но от екологична гледна точка,

both cancer and immune cells --

и раковите и имунните клетки --

the prey and the predator --

и жертвата и хищника --

require nutrients such as glucose to survive.

имат нужда от хранителни вещества като глюкоза, за да оцелеят.

If cancer cells outcompete the immune cells for shared nutrients

Ако раковите клетки спечелят надпреварата над имунните клетки за общата храна

in the tumor microenvironment,

в туморната микросреда,

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

тогава имунните клетки няма да могат физически да си вършат работата.

This predator-prey-shared resource type model

Този модел на споделени между хищник и плячка ресурси е нещо,

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

върху което работя в моите собствени изследвания.

And it was recently shown experimentally

Наскоро беше експериментално доказано,

that restoring the metabolic balance in the tumor microenvironment --

че възстановяването на метаболитния баланс в туморната микросреда --

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

т.е. да се осигури достатъчно храна на имунните клетки --

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

това връща преимуществото на хищника в борбата с рака, неговата плячка.

This means that if you abstract a bit,

Ако погледнем абстрактно,

you can think about cancer itself as an ecosystem,

може да гледате на рака като на екосистема,

where heterogeneous populations of cells compete and cooperate

в която хетерогенните популации от клетки се съревновават и си сътрудничат

for space and nutrients,

за място и хранителни вещества,

interact with predators -- the immune system --

взаимодействат с хищници -- имунната система --

migrate -- metastases --

мигрират -- метастазите --

all within the ecosystem of the human body.

всичко това в рамките на екосистемата на човешкото тяло.

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

А какво знаем за повечето екосистеми в природозащитната биология?

That one of the best ways to extinguish species

Знаем, че един от най-добрите начини да унищожим един вид,

is not to target them directly

не е като го нападаме директно,

but to target their environment.

а като унищожим неговата среда.

And so, once we have identified the key components

И така, след като вече установихме ключовите компоненти

of the tumor environment,

на туморната среда,

we can propose hypotheses

можем да предложим хипотези

and simulate scenarios and therapeutic interventions

и да симулираме сценарии и терапевтични интервенции

all in a completely safe and affordable way

по един напълно безопасен и финансово достъпен начин

and target different components of the microenvironment

и да целим различни компоненти от микросредата

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

по начин, по който ще убием рака, без да нараняваме гостоприемника,

such as me or you.

каквито сме аз или вие.

And so while the immediate goal of my research

Непосредствената цел на моето изследване

is to advance research and innovation

е насърчаване на изследванията и иновациите,

and to reduce its cost,

намаляване на тяхната цена,

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

крайната цел, разбира се, е спасяването на животи.

And that's what I try to do

Това е, което се опитвам да правя

through mathematical modeling applied to biology,

чрез математическо моделиране, приложено към биологията,

and in particular, to the development of drugs.

и в частност, към разработването на лекарства.

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

Това е област, която сравнително до скоро оставаше донякъде в периферията,

but it has matured.

но сега се развива.

And there are now very well-developed mathematical methods,

Вече съществуват много добре развити математически методи,

a lot of preprogrammed tools,

много готови програмирани инструменти,

including free ones,

включително и безплатни,

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

и постоянно растяща компютърна мощ на наше разположение.

The power and beauty of mathematical modeling

Силата и красотата на математическото моделиране,

lies in the fact that it makes you formalize,

е във възможността да пресъздадем

in a very rigorous way,

по много прецизен начин това,

what we think we know.

което си мислим, че знаем.

We make assumptions,

Правим предположения,

translate them into equations,

превеждаме ги в уравнения,

run simulations,

стартираме симулации,

all to answer the question:

с цел да отговорим на въпроса:

In a world where my assumptions are true,

В свят, в който моите предположения са верни,

what do I expect to see?

какво очаквам да се случи?

It's a pretty simple conceptual framework.

Това е една много проста концепция.

It's all about asking the right questions.

Всичко опира до задаването на правилните въпроси.

But it can unleash numerous opportunities for testing biological hypotheses.

Но може да отприщи многобройни възможности за тестване на биологични хипотези.

If our predictions match our observations,

Ако предположенията ни съвпаднат с резултатите,

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

чудесно! -- били сме прави, и можем да правим нови предположения,

by changing this or that aspect of the model.

променяйки някои от аспектите на модела.

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

Ако обаче предположенията ни не съвпаднат с резултатите,

that means that some of our assumptions are wrong,

това значи, че някои от предположенията ни са грешни,

and so our understanding of the key mechanisms

и нашите разбирания за ключовите механизми

of underlying biology

на основната биология

is still incomplete.

са все още непълни.

Luckily, since this is a model,

За щастие, понеже това е модел,

we control all the assumptions.

ние контролираме всички предположения.

So we can go through them, one by one,

Можем да ги прегледаме едно по едно

identifying which one or ones are causing the discrepancy.

и да разберем кое или кои от тях са причината за несъответствието.

And then we can fill this newly identified gap in knowledge

Тогава можем да запълним тази новооткрита празнина в знанието,

using both experimental and theoretical approaches.

използвайки едновременно експериментален и теоретичен подход.

Of course, any ecosystem is extremely complex,

Разбира се, всяка екосистема е невероятно сложна,

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

и опитите за описване на всички подвижни части е не само много трудно,

but also not very informative.

но и не носи много информация.

There's also the issue of timescales,

Съществува и проблем с времевите мащаби,

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

защото някои процеси се случват за секунди, други отнемат минути,

some days, months and years.

понякога дни, месеци и години.

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

Понякога не е възможно те да бъдат разделени експериментално.

And some things happen so quickly or so slowly

А някои неща се случват толкова бързо или толкова бавно,

that you may physically never be able to measure them.

че тяхното измерване понякога е физически невъзможно.

But as mathematicians,

Но като математици,

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

имаме силата да вникнем във всяка подсистема във всякакъв срок

and simulate effects of interventions

и да симулираме ефектите от интервенциите,

that take place in any timescale.

които се случват във всяка времева рамка.

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

Тази работа, разбира се, не се върши само от математик.

It has to happen in close collaboration with biologists.

Тя се осъществява в тясно сътрудничество с биолози.

And it does demand some capacity of translation

И се изисква известно умение за превод

on both sides.

и от двете страни.

But starting with a theoretical formulation of a problem

Теоретичното формулиране на даден проблем

can unleash numerous opportunities for testing hypotheses

може да отвори пътя на много възможности за тестване на хипотези

and simulating scenarios and therapeutic interventions,

и сценарии за симулация и терапевтични интервенции,

all in a completely safe way.

по напълно безопасен начин.

It can identify gaps in knowledge and logical inconsistencies

То може да установи пропуски в знанието и логически несъответствия

и може да ни помогне да разберем в коя посока трябва да продължим,

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

and where there may be a dead end.

и къде може да има задънена улица.

In other words:

С други думи:

mathematical modeling can help us answer questions

математическото моделиране може да ни даде отговори,

that directly affect people's health --

които дават директно отражение на човешкото здраве --

that affect each person's health, actually --

които всъщност влияят на здравето на всеки един човек,

because mathematical modeling will be key

защото математическото моделиране ще бъде ключът

to propelling personalized medicine.

към развитието на персонализираната медицина.

And it all comes down to asking the right question

Всичко опира до задаването на правилния въпрос

and translating it to the right equation ...

и превеждането му в правилното уравнение

and back.

и обратно.

Thank you.

Благодаря.

(Applause)

(Аплодисменти)