Math can help uncover cancer's secrets | Irina Kareva

Übersetzung: Markus Schley Lektorat: P Hakenberg

I am a translator.

Ich bin Übersetzerin.

I translate from biology into mathematics

Ich übersetze vom Biologischen ins Mathematische

and vice versa.

und zurück.

I write mathematical models

Ich schreibe mathematische Modelle,

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

in meinem Fall sind das Differentialgleichungssysteme,

to describe biological mechanisms,

um biologische Mechanismen, wie z.B. das Zellwachstum, zu beschreiben.

such as cell growth.

Essentially, it works like this.

Im Wesentlichen funktioniert das so:

First, I identify the key elements

Zuerst bestimme ich die Kernelemente,

that I believe may be driving behavior over time

die vermutlich das Verhalten eines Mechanismus

of a particular mechanism.

im weiteren Verlauf steuern werden.

Then, I formulate assumptions

Dann formuliere ich Annahmen

about how these elements interact with each other

darüber, wie die Elemente untereinander

and with their environment.

und mit ihrer Umgebung wechselwirken.

It may look something like this.

Das könnte ungefähr so aussehen.

Then, I translate these assumptions into equations,

Dann übersetze ich die Annahmen in Gleichungen,

which may look something like this.

was ungefähr so aussehen könnte.

Finally, I analyze my equations

Zuletzt analysiere ich die Gleichungen

and translate the results back into the language of biology.

und übersetze die Ergebnisse zurück in die Sprache der Biologie.

A key aspect of mathematical modeling

Ein Kernaspekt mathematischer Modelle ist,

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

dass wir als Modellbauer nicht darüber nachdenken, wie etwas beschaffen ist,

we think about what they do.

sondern darüber, was es tut.

We think about relationships between individuals,

Wir denken über Beziehungen zwischen Individuen nach,

whether they be cells, animals or people,

seien es nun Zellen, Tiere oder Personen,

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

und darüber, wie sie untereinander und mit der Umgebung interagieren.

Let me give you an example.

Hier ein Beispiel.

What do foxes and immune cells have in common?

Was haben Füchse und Immunzellen gemeinsam?

They're both predators,

Beide sind Räuber,

except foxes feed on rabbits,

nur dass Füchse Hasen fressen

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

und Immunzellen Fremdkörper, wie zum Beispiel Krebszellen.

But from a mathematical point of view,

Doch mathematisch betrachtet

a qualitatively same system of predator-prey type equations

wird ein und dasselbe Gleichungssystem für Räuber-Beute-Beziehungen

will describe interactions between foxes and rabbits

Wechselwirkungen zwischen Füchsen und Hasen ebenso erklären

and cancer and immune cells.

wie zwischen Krebs- und Immunzellen.

Predator-prey type systems have been studied extensively

Räuber-Beute Beziehungen wurden in der Fachliteratur ausgiebig erforscht.

in scientific literature,

describing interactions of two populations,

Sie beschreiben Interaktionen zweier Populationen,

where survival of one depends on consuming the other.

wobei die eine überlebt, indem sie die andere frisst.

And these same equations provide a framework

Dieselben Gleichungen liefern ein Bezugssystem

for understanding cancer-immune interactions,

um Krebs-Immunzell-Interaktionen zu verstehen,

where cancer is the prey,

wobei der Krebs die Beute

and the immune system is the predator.

und das Immunsystem den Räuber darstellt.

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

Die Beute setzt allerlei Tricks ein, um nicht vom Räuber getötet zu werden,

ranging from camouflaging itself

mal tarnt sie sich selbst,

to stealing the predator's food.

mal stiehlt sie dem Räuber die Nahrung.

This can have some very interesting implications.

Daraus lassen sich sehr interessante Schlüsse ziehen.

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

Zum Beispiel: Trotz enormer Erfolge auf dem Gebiet der Immuntherapie

there still remains somewhat limited efficacy

ist ihre Wirksamkeit bei soliden Tumoren immer noch recht beschränkt.

when it comes solid tumors.

But if you think about it ecologically,

Aber wenn man es ökologisch betrachtet,

both cancer and immune cells --

brauchen Krebs- und Immunzellen --

the prey and the predator --

der Räuber und die Beute --

require nutrients such as glucose to survive.

Nährstoffe wie Glukose zum Überleben.

If cancer cells outcompete the immune cells for shared nutrients

Wenn die Krebszellen den Immunzellen deren Nahrungsgrundlage gänzlich entziehen,

in the tumor microenvironment,

innerhalb des Tumormikromilieus,

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

dann sind die Immunzellen physisch nicht in der Lage zu arbeiten.

This predator-prey-shared resource type model

Das Modell der Ressourcenteilung zwischen Räuber und Beute

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

war bislang Gegenstand meiner eigenen Forschung.

And it was recently shown experimentally

Kürzlich wurde experimentell gezeigt, dass die Wiederherstellung

that restoring the metabolic balance in the tumor microenvironment --

des Stoffwechselgleichgewichts im Tumormikromilieu --

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

wenn man also den Immunzellen genug Nahrung verschafft --

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

man ihnen, den Räubern,

beim Kampf gegen den Krebs, der Beute, wieder einen Vorteil verschafft.

This means that if you abstract a bit,

Das heißt, wenn man das etwas abstrahiert,

you can think about cancer itself as an ecosystem,

kann man sich Krebs als Ökosystem vorstellen.

where heterogeneous populations of cells compete and cooperate

Hier kooperieren und konkurrieren verschiedene Zellpopulationen miteinander

um Lebensraum und Nahrung,

for space and nutrients,

interact with predators -- the immune system --

interagieren mit Räubern, -- dem Immunsystem --

migrate -- metastases --

migrieren, -- also metastasieren --

all within the ecosystem of the human body.

alles im Ökosystem des menschlichen Körpers.

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

Und was wissen wir über Ökosysteme aus der Naturschutzbiologie?

That one of the best ways to extinguish species

Wenn man eine Spezies verlässlich ausrotten will,

is not to target them directly

greift man nicht sie direkt,

but to target their environment.

sondern ihren Lebensraum an.

And so, once we have identified the key components

Sobald wir also die Schlüsselkomponenten

of the tumor environment,

des Tumormilieus bestimmt haben,

we can propose hypotheses

können wir Hypothesen aufstellen

and simulate scenarios and therapeutic interventions

und Szenarien sowie therapeutische Maßnahmen simulieren,

all in a completely safe and affordable way

und das alles vollkommen risikofrei und kostengünstig.

and target different components of the microenvironment

Wir können verschiedene Komponenten des Mikromilieus anvisieren

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

indem wir den Krebs eliminieren, ohne dem Wirt zu schaden,

such as me or you.

also Ihnen oder mir.

And so while the immediate goal of my research

Und wenngleich es das unmittelbare Ziel meiner Forschung ist,

is to advance research and innovation

Forschung und Innovation voranzubringen,

and to reduce its cost,

sowie deren Kosten zu reduzieren,

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

ist ihr eigentlicher Zweck natürlich, Leben zu retten.

And that's what I try to do

Und das versuche ich zu erreichen,

through mathematical modeling applied to biology,

durch mathematische Modelle, angewandt auf die Biologie,

and in particular, to the development of drugs.

und insbesondere auf die Entwicklung von Pharmaka.

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

Es ist ein Bereich, der bis vor kurzem nur am Rande wahrgenommen wurde,

but it has matured.

aber er hat sich gemausert.

And there are now very well-developed mathematical methods,

Und nun stehen uns sehr gut ausgereifte mathematische Methoden,

a lot of preprogrammed tools,

viele vorgefertigte Programme,

including free ones,

auch freie,

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

sowie eine ständig wachsende Rechnerleistung zur Verfügung.

The power and beauty of mathematical modeling

Das Potential und die Eleganz mathematischer Modelle

lies in the fact that it makes you formalize,

liegt in der sehr strikten Notwendigkeit

in a very rigorous way,

zur Formalisierung dessen,

what we think we know.

was wir zu wissen glauben.

We make assumptions,

Wir stellen Annahmen auf,

translate them into equations,

übersetzen sie in Gleichungen,

run simulations,

führen Simulationen durch,

all to answer the question:

nur um die Frage zu beantworten:

In a world where my assumptions are true,

In einer Welt, in der meine Annahmen wahr sind,

what do I expect to see?

welches Ergebnis erwarte ich?

It's a pretty simple conceptual framework.

Es ist ein ziemlich einfaches Konzept.

It's all about asking the right questions.

Es geht nur um die richtige Fragestellung.

But it can unleash numerous opportunities for testing biological hypotheses.

Doch es eröffnet zahlreiche Möglichkeiten zum Testen biologischer Hypothesen.

If our predictions match our observations,

Wenn die Beobachtungen unseren Voraussagen entsprechen,

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

super! -- dann lagen wir richtig und machen weitere Voraussagen

by changing this or that aspect of the model.

durch Änderungen am Modell hier und da.

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

Wenn jedoch unsere Vorhersagen nicht mit den Beobachtungen übereinstimmen,

that means that some of our assumptions are wrong,

waren einige unserer Annahmen falsch,

and so our understanding of the key mechanisms

und unser Verständnis der Schlüsselmechanismen

of underlying biology

der zugrunde liegenden Biologie ist noch unvollständig.

is still incomplete.

Luckily, since this is a model,

Da es ja glücklicherweise ein Modell ist,

we control all the assumptions.

kontrollieren wir alle Annahmen.

So we can go through them, one by one,

Wir gehen also alle nacheinander durch,

identifying which one or ones are causing the discrepancy.

und ermitteln, welche die Unstimmigkeit verursacht oder verursachen.

And then we can fill this newly identified gap in knowledge

Und dann können wir diese neu identifizierte Wissenslücke

durch experimentelle und theoretische Herangehensweisen füllen.

using both experimental and theoretical approaches.

Of course, any ecosystem is extremely complex,

Jedes Ökosystem ist extrem komplex,

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

und der Versuch, alle Variablen zu beschreiben, ist nicht nur schwierig,

but also not very informative.

sondern sagt auch wenig aus.

There's also the issue of timescales,

Und dann ist da noch das Thema Zeitskalen,

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

denn einige Prozesse laufen im Bereich von Sekunden, ein paar Minuten,

some days, months and years.

ein paar Tagen, Monaten und Jahren ab.

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

Es wird nicht immer gelingen, sie im Experiment auseinanderzuhalten.

And some things happen so quickly or so slowly

Andere laufen so schnell oder so langsam ab,

that you may physically never be able to measure them.

dass man sie wohl nie physikalisch wird messen können.

But as mathematicians,

Aber als Mathematiker

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

haben wir die Macht, in jedes Subsystem auf jeder Zeitskala hineinzuzoomen

and simulate effects of interventions

und die Folgen eines Eingriffs zu simulieren,

that take place in any timescale.

in jedem beliebigen Zeitraum.

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

Dies ist natürlich nicht nur die Arbeit des Modellbauers.

It has to happen in close collaboration with biologists.

Es muss in enger Zusammenarbeit mit Biologen passieren.

And it does demand some capacity of translation

Und es verlangt einiges an Übersetzungsgeschick

on both sides.

auf beiden Seiten.

But starting with a theoretical formulation of a problem

Doch wenn man ein Problem zuerst theoretisch formuliert,

can unleash numerous opportunities for testing hypotheses

eröffnet dies zahlreiche Möglichkeiten, Hypothesen zu testen,

and simulating scenarios and therapeutic interventions,

und um Szenarien und therapeutische Maßnahmen zu simulieren,

all in a completely safe way.

alles vollkommen risikofrei.

It can identify gaps in knowledge and logical inconsistencies

Es kann dabei helfen, Wissenslücken und logische Unstimmigkeiten zu erkennen

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

und es kann anzeigen, wo man weiterforschen sollte

and where there may be a dead end.

und wo eine Sackgasse sein könnte.

In other words:

Mit anderen Worten:

mathematical modeling can help us answer questions

Mathematische Modelle helfen Antworten auf Fragen zu finden,

that directly affect people's health --

die unmittelbar die Gesundheit betreffen --

that affect each person's health, actually --

die Gesundheit jedes einzelnen, genauer gesagt --

because mathematical modeling will be key

denn mathematische Modelle werden eine treibende Kraft

to propelling personalized medicine.

für die personalisierte Medizin sein.

And it all comes down to asking the right question

Und alles läuft nur darauf hinaus, die richtige Frage zu stellen

and translating it to the right equation ...

und in die richtige Gleichung zu übersetzen ...

and back.

und zurück.

Thank you.

Vielen Dank.

(Applause)

(Applaus)