Math can help uncover cancer's secrets | Irina Kareva

Translator: Rasoul Htm Reviewer: sadegh zabihi

I am a translator.

من یک مترجم هستم.

I translate from biology into mathematics

من از زیست‌شناسی به ریاضیات ترجمه می‌کنم

and vice versa.

و برعکس.

I write mathematical models

من مدل‌های ریاضی می‌نویسم،

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

مدل‌هایی که از سیستم‌های معادلات دیفرانسیل تشکیل شده،

to describe biological mechanisms,

و به توصیف مکانیزم‌های زیستی

such as cell growth.

مثل رشد سلولی می‌پردازد.

Essentially, it works like this.

اساسا مثل این کار می‌کند.

First, I identify the key elements

اول از همه من عناصر کلیدی را شناسایی می‌کنم

that I believe may be driving behavior over time

که فکر می‌کنم با گذشت زمان

of a particular mechanism.

رفتار مکانیزم را هدایت می‌کنند.

Then, I formulate assumptions

سپس فرضیه‌هایی می‌سازم

about how these elements interact with each other

درباره اینکه چطور این عناصر با سایر عناصر

و با محیط اطرافشان در ارتباط هستند.

and with their environment.

It may look something like this.

ممکن است نتیجه نهایی به این شکل باشد.

Then, I translate these assumptions into equations,

سپس من این فرضیه‌ها را به معادلات ریاضی ترجمه می‌کنم،

which may look something like this.

که ممکن است نتیجه نهایی به این شکل باشد.

Finally, I analyze my equations

در نهایت هم معادلاتم را تحلیل می‌کنم

and translate the results back into the language of biology.

و نتایج تحلیل را به زبان زیست شناسی بر می‌گردانم.

A key aspect of mathematical modeling

ویژگی اصلی مدل سازی ریاضی این است

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

که ما بعنوان مدل‌ ساز، به اینکه مسائل چگونه هستند فکر نمی‌کنیم؛

we think about what they do.

بلکه به این فکر می‌کنیم که این مسائل چطور عمل می‌کنند

We think about relationships between individuals,

ما به ارتباط میان افراد فکر می‌کنیم،

whether they be cells, animals or people,

خواه این افراد سلول‌ها، حیوانات یا انسان‌ها باشند،

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

و همچنین اینکه آنها چطور با هم و با محیط‌شان تعامل دارند.

Let me give you an example.

اجازه بدهید برای شما یک مثال بزنم.

What do foxes and immune cells have in common?

وجه اشتراک روباه‌ها و سلول‌های ایمنی چیست؟

They're both predators,

هر دو درنده هستند،

except foxes feed on rabbits,

البته روباه‌ها خرگوش می‌خورند،

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

و سلول‌های ایمنی، سلول‌های مهاجم، مثل سلول‌های سرطانی را می‌خورند.

But from a mathematical point of view,

اما از دید ریاضیات،

a qualitatively same system of predator-prey type equations

یک سیستم توصیفی معادلاتی مشابه از نوع شکار-شکارچی

will describe interactions between foxes and rabbits

اثر متقابل روباه‌ها و خرگوش‌ها

and cancer and immune cells.

و سلول‌های سرطانی و ایمنی را توصیف می‌کند.

Predator-prey type systems have been studied extensively

در حوزه‌های علمی، سیستم‌های شکار-شکارچی بطور گستردهای

in scientific literature,

مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

describing interactions of two populations,

این سیستم‌ها رابطه بین دو گروه را بررسی می‌کنند

where survival of one depends on consuming the other.

که بقای یکی به تغذیه کردن از دیگری بستگی دارد.

And these same equations provide a framework

و این سیستم‌های مشابه، ساختاری را

for understanding cancer-immune interactions,

برای درک تعامل بین سلول‌های ایمنی و سرطانی فراهم می‌کنند.

where cancer is the prey,

جاییکه سلول‌های سرطانی شکار،

and the immune system is the predator.

و سلول‌های ایمنی، شکارچی هستند.

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

و شکار سعی می‌کند از هر فریبی برای خورده نشدن استفاده کند،

ranging from camouflaging itself

از مخفی شدن گرفته

to stealing the predator's food.

تا دزدیدن غذای شکارچی‌ها.

This can have some very interesting implications.

این موضوع می‌تواند پیامد‌های جالبی داشته باشد.

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

بطور مثال علیرغم موفقیت‌های بدست آمده در ایمن درمانی،

there still remains somewhat limited efficacy

هنوز گاهی تاثیر این نوع درمان بسیار محدود است

when it comes solid tumors.

خصوصا در زمان درمان تومور‌های جامد.

But if you think about it ecologically,

اما اگر از دیدگاه زیست شناسی به این موضوع نگاه کنید،

both cancer and immune cells --

می‌دانید که هر دو سلول سرطانی و ایمنی --

the prey and the predator --

بعنوان شکار و شکارچی --

require nutrients such as glucose to survive.

برای زنده ماندن به مواد مغذی مثل گلوکز نیاز دارند.

If cancer cells outcompete the immune cells for shared nutrients

اگر سلول‌های سرطانی در استفاده از مواد مغذی موجود در فضای تومور

in the tumor microenvironment,

از سلول‌های ایمنی پیشی بگیرند،

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

سلول‌های ایمنی از نظر فیزیکی قادر نخواهند بود وظیفه‌شان را انجام دهند.

This predator-prey-shared resource type model

این مدل گونه منابع غذایی مشترک بین شکار و شکارچی

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

چیزی است که من در تحقیقات خودم روی آن کار کرده‌ام.

And it was recently shown experimentally

و اخیرا آزمایش‌ها نشان داده

that restoring the metabolic balance in the tumor microenvironment --

که بازیابی تعادل متابولیک در فضای اطراف تومور --

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

یعنی، مطمئن شویم سلول‌های ایمنی غذایشان را دریافت می‌کنند --

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

می‌تواند به آنها، شکارچی‌ها، در مبارزه با سرطان، شکار، نیرویی تازه ببخشد.

This means that if you abstract a bit,

این به این معنی است که اگر بصورت انتزاعی تصور کنیم،

you can think about cancer itself as an ecosystem,

می‌توانیم سرطان را یک اکوسیستم تصور کنیم،

where heterogeneous populations of cells compete and cooperate

که در آن جمعیت ناهمگونی از سلول‌ها

برای بدست آوردن غذا و فضا با هم رقابت و همکاری می‌کنند،

for space and nutrients,

interact with predators -- the immune system --

با شکارچی‌ها -- با سلول‌های ایمنی تعامل می‌کنند

migrate -- metastases --

مهاجرت -- متاستاز می‌کنند،

all within the ecosystem of the human body.

و همه این‌ها در اکوسیستم بدن انسان اتفاق می‌افتد.

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

و ما بر اساس اصول زیست شناسی درباره اغلب اکوسیستم‌ها چه می‌دانیم؟

That one of the best ways to extinguish species

اینکه یکی از بهترین راه‌ها برای منقرض کردن گونه‌ها

is not to target them directly

مستقیماً مورد هدف قرار دادن خود آنها نیست،

but to target their environment.

بلکه مورد هدف قرار دادن محیط اطراف آنها است.

And so, once we have identified the key components

بنابراین، به محض اینکه اجزای اصلی

of the tumor environment,

در فضای تومور را تشخیص دادیم،

we can propose hypotheses

می‌توانیم فرضیه بسازیم

and simulate scenarios and therapeutic interventions

و سناریو‌هایی شبیه‌سازی کنیم و مداخله درمانی انجام دهیم

all in a completely safe and affordable way

و تمام این‌ها را کاملا ایمن و ارزان انجام دهیم

and target different components of the microenvironment

و ما همچنین می‌توانیم اجزای مختلف فضای بیماری را طوری مورد هدف قرار دهیم

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

که سلول‌های سرطانی را از بین ببریم بدون اینکه به میزبانی مثل من و شما،

such as me or you.

آسیبی وارد شود.

And so while the immediate goal of my research

اگر چه هدف اولیه تحقیقات من

is to advance research and innovation

پیشرفت تحقیق و خلاقیت

and to reduce its cost,

و کاهش هزینه‌ها بود،

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

اما در حقیقت، من به دنبال نجات زندگی انسان‌ها بودم.

And that's what I try to do

و این کاری است که سعی دارم،

through mathematical modeling applied to biology,

با اعمال مدل سازی ریاضی در زیست شناسی

and in particular, to the development of drugs.

و مخصوصاً، در پیشرفت داروها انجام دهم.

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

این روش تا کنون در حاشیه و بی اهمیت بوده

but it has matured.

اما حالا به کمال رسیده.

And there are now very well-developed mathematical methods,

و حالا چندین روش ریاضی مناسب و پیشرفته

a lot of preprogrammed tools,

و چندین ابزار برنامه ریزی شده،

including free ones,

از جمله برنامه‌های رایگان،

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

و چندین برنامه قدرتمند محاسباتی در دسترس ما است.

The power and beauty of mathematical modeling

قدرت و زیبایی مدل سازی ریاضی،

در این مسئله نهفته است که باعث می‌شود

lies in the fact that it makes you formalize,

in a very rigorous way,

آنچه فکر می‌کنیم می‌دانیم را

what we think we know.

به صورت بسیار دقیق رسمی کنیم.

We make assumptions,

ما فرضیه می‌سازیم،

translate them into equations,

و آنها را به معادله ترجمه می‌کنیم،

run simulations,

سپس شبیه‌سازی می‌کنیم،

all to answer the question:

تا در نهایت به این سوال پاسخ دهیم:

In a world where my assumptions are true,

در جهانی که فرضیه‌های من درست از آب در می‌آیند،

what do I expect to see?

انتظار دارم چه چیزی ببینم؟

It's a pretty simple conceptual framework.

این یک چارچوب مفهومی بسیار ساده است.

همه چیز به این برمی‌گردد که سوال‌های درست پرسیده شوند.

It's all about asking the right questions.

But it can unleash numerous opportunities for testing biological hypotheses.

و این سوالات فرصت‌های زیادی را برای بررسی فرضیه‌های بیولوژیکی ایجاد می‌کنند.

If our predictions match our observations,

اگر پیش بینی‌های ما با مشاهداتمان یکسان باشند،

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

عالیه! -- درست متوجه شدیم پس می‌توانیم پیش بینی‌های بیشتری

by changing this or that aspect of the model.

با تغییر در جنبه‌های مختلف مدل طراحی شده انجام بدهیم.

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

اما اگر پیش بینی‌های ما با مشاهداتمان متفاوت بود،

that means that some of our assumptions are wrong,

به این معنی است که بعضی از فرضیه هایمان اشتباه بوده،

and so our understanding of the key mechanisms

و در نتیجه درک ما از عملکرد کلیدی

of underlying biology

آن فرآیند بیولوژیک

is still incomplete.

هنوز کامل نشده است.

Luckily, since this is a model,

خوشبختانه، از آن جاییکه این یک مدل است،

we control all the assumptions.

ما بر روی تمام فرضیه‌ها کنترل کامل داریم.

So we can go through them, one by one,

پس می‌توانیم تمامی آنها را یکی یکی بررسی کنیم،

identifying which one or ones are causing the discrepancy.

و بفهمیم کدامیک از آنها باعث اختلال می‌شوند.

And then we can fill this newly identified gap in knowledge

و ما با روش‌های عملی و تئوری

using both experimental and theoretical approaches.

می‌توانیم این شکاف اطلاعاتی تازه کشف شده را پر کنیم.

Of course, any ecosystem is extremely complex,

البته هر اکوسیستمی بسیار پیچیده است،

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

و تلاش برای توصیف حرکت‌های تمامی اجزای آنها

نه تنها خیلی سخت است، بلکه خیلی هم به ما اطلاعات نمی‌دهد.

but also not very informative.

There's also the issue of timescales,

مشکل بعدی زمانبندی است،

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

چون بعضی از فرآیند‌ها در عرض چند ثانیه،

چند دقیقه، روز، ماه یا سال اتفاق می‌افتند،

some days, months and years.

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

و همیشه امکان جدا کردن از بقیه و برر سی نمودن این اتفاقات وجود ندارد.

And some things happen so quickly or so slowly

گاهی بعضی اتفاقات آنقدر سریع یا کند اتفاق می‌افتد،

that you may physically never be able to measure them.

که بصورت فیزیکی قابل اندازه گیری نیستند.

But as mathematicians,

اما ما به عنوان ریاضیدان،

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

این قدرت را داریم که در هر زمانبندی، بر روی یک اتفاق تمرکز کنیم

and simulate effects of interventions

و تاثیر هر دخالتی را

that take place in any timescale.

در هر ابعاد زمانی که اتفاق بیفتد شبیه سازی کنیم.

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

البته این کار یک نفر مدل ساز به تنهایی نیست،

It has to happen in close collaboration with biologists.

بلکه به همکاری کامل یک بیولوژیست نیاز دارد،

And it does demand some capacity of translation

همچنین به کمی استعداد ترجمه

on both sides.

از هر دو طرف نیاز دارد.

But starting with a theoretical formulation of a problem

اما فرمول‌سازی تئوری یک مشکل

can unleash numerous opportunities for testing hypotheses

موجب ایجاد چندین فرصت برای آزمایش فرضیه‌ها

and simulating scenarios and therapeutic interventions,

و شبیه‌سازی سناریو‌ها و تداخلات درمانی

به روشی کاملاً امن می‌شود.

all in a completely safe way.

It can identify gaps in knowledge and logical inconsistencies

همچنین باعث تشخیص خلا‌های اطلاعاتی و موارد عدم تطابق منطقی می‌شود

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

و ما را راهنمایی می‌کند که در تحقیقات، چه راهی را باید ادامه داد

and where there may be a dead end.

و چه راهی به بن‌بست ختم می‌شود.

In other words:

به عبارت دیگر:

mathematical modeling can help us answer questions

مدل‌سازی ریاضی به ما کمک می‌کند که به سوالاتی پاسخ بدهیم

that directly affect people's health --

که سلامت انسان‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

that affect each person's health, actually --

که در واقع سلامت هر فرد را تحت تاثیر قرار می‌دهد،

because mathematical modeling will be key

چون مدل‌سازی ریاضی

کلید پیش‌برد داروهای مخصوص به هر فرد خواهد بود.

to propelling personalized medicine.

And it all comes down to asking the right question

و همه چیز به پرسیدن سوال درست

and translating it to the right equation ...

و ترجمه آن به معادله صحیح برمی‌گردد ...

and back.

و برعکس.

Thank you.

ممنونم.

(Applause)

(تشویق)