Math can help uncover cancer's secrets | Irina Kareva

Traduttore: Vanessa Summa Revisore: Elisabetta Siagri

I am a translator.

Sono una traduttrice.

I translate from biology into mathematics

Traduco dalla biologia alla matematica

and vice versa.

e viceversa.

I write mathematical models

Scrivo modelli matematici

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

che nel mio caso sono sistemi di equazioni differenziali,

to describe biological mechanisms,

per descrivere meccanismi biologici

such as cell growth.

come la crescita cellulare.

Essentially, it works like this.

In pratica, funziona in questo modo.

First, I identify the key elements

Prima di tutto, identifico gli elementi fondamentali

that I believe may be driving behavior over time

che credo influenzino nel tempo il comportamento

of a particular mechanism.

di un meccanismo in particolare.

Then, I formulate assumptions

Poi, faccio delle supposizioni

about how these elements interact with each other

su come questi elementi interagiscono fra di loro

and with their environment.

e con il loro ambiente.

It may look something like this.

Questo disegno vi dà un'idea.

Then, I translate these assumptions into equations,

Poi, traduco questi presupposti in equazioni,

which may look something like this.

per esempio come queste.

Finally, I analyze my equations

Infine, analizzo le mie equazioni

and translate the results back into the language of biology.

e traduco i risultati di nuovo nella lingua della biologia.

A key aspect of mathematical modeling

Un aspetto fondamentale dei modelli matematici

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

è che noi, che creiamo i modelli, non pensiamo a cosa sono le cose,

we think about what they do.

ma pensiamo a cosa fanno.

We think about relationships between individuals,

Pensiamo alla relazione fra gli individui,

whether they be cells, animals or people,

che siano cellule, animali o persone,

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

e come interagiscono fra loro e il loro ambiente.

Let me give you an example.

Vi faccio un esempio.

What do foxes and immune cells have in common?

Che cosa hanno in comune le volpi e le cellule immunitarie?

They're both predators,

Sono entrambi predatori,

except foxes feed on rabbits,

solo che le volpi si nutrono di conigli,

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

e le cellule immunitarie si nutrono degli invasori, come le cellule tumorali.

But from a mathematical point of view,

Ma dal punto di vista matematico,

a qualitatively same system of predator-prey type equations

un sistema qualitativo di equazioni del tipo predatore-preda

will describe interactions between foxes and rabbits

descriverà le interazioni fra le volpi e i conigli

and cancer and immune cells.

e fra cancro e cellule immunitarie.

Predator-prey type systems have been studied extensively

I sistemi predatore-preda sono stati studiati a lungo

in scientific literature,

nella letteratura scientifica,

describing interactions of two populations,

descrivendo le interazioni di due popolazioni,

where survival of one depends on consuming the other.

dove la sopravvivenza dipende dal consumo dell'altro.

And these same equations provide a framework

E queste stesse equazioni forniscono un quadro

for understanding cancer-immune interactions,

per capire le interazioni cancro-immunologia,

where cancer is the prey,

dove il cancro è la preda

and the immune system is the predator.

e il sistema immunitario è il predatore.

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

E la preda fa di tutto per evitare che il predatore la uccida,

ranging from camouflaging itself

dal travestimento

to stealing the predator's food.

al furto del cibo del predatore.

This can have some very interesting implications.

Questo può avere delle implicazioni interessanti.

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

Per esempio, nonostante il grande successo nel campo della immunoterapia,

there still remains somewhat limited efficacy

l'efficacia è ancora limitata

when it comes solid tumors.

se si parla di tumori solidi.

But if you think about it ecologically,

Ma ecologicamente,

both cancer and immune cells --

sia le cellule tumorali che quelle immuni--

the prey and the predator --

la preda e il predatore--

require nutrients such as glucose to survive.

hanno bisogno di sostanze come il glucosio per sopravvivere.

If cancer cells outcompete the immune cells for shared nutrients

Se le cellule tumorali superano quelle immunitarie per le sostanze necessarie

in the tumor microenvironment,

nel microambiente tumorale,

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

allora le cellule immunitarie non riusciranno a fare il loro lavoro.

This predator-prey-shared resource type model

Questo modello predatore-preda-condivisione delle risorse

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

è una cosa a cui ho lavorato nella mia ricerca.

And it was recently shown experimentally

Ed è stato recentemente dimostrato in modo sperimentale

that restoring the metabolic balance in the tumor microenvironment --

che ripristinare l'equilibrio metabolico nel microambiente tumorale,

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

cioè assicurarsi che le cellule immunitarie ricevano il cibo,

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

può ridare ai predatori, un vantaggio nel combattere il cancro, la preda.

This means that if you abstract a bit,

Ovvero, in modo astratto,

you can think about cancer itself as an ecosystem,

potete pensare al cancro come ad un ecosistema,

where heterogeneous populations of cells compete and cooperate

dove popolazioni eterogenee di cellule competono e collaborano

for space and nutrients,

per lo spazio e le sostanze nutritive,

interact with predators -- the immune system --

interagiscono con i predatori, il sistema immunitario,

migrate -- metastases --

migrano, le metastasi,

all within the ecosystem of the human body.

tutto all'interno dell'ecosistema del corpo umano.

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

E cosa sappiamo degli ecosistemi dalla biologia della conservazione?

That one of the best ways to extinguish species

Che uno dei modi migliori per far estinguere una specie

is not to target them directly

non è colpirla direttamente,

but to target their environment.

ma colpire il suo ambiente.

And so, once we have identified the key components

E così, una volta che abbiamo identificato le componenti chiave

of the tumor environment,

dell'ambiente tumorale,

we can propose hypotheses

possiamo fare delle ipotesi

and simulate scenarios and therapeutic interventions

e simulare scenari e interventi terapeutici

all in a completely safe and affordable way

in modo del tutto sicuro e conveniente

and target different components of the microenvironment

e mirare a componenti diversi del microambiente

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

in modo da uccidere il cancro senza far male a chi lo ospita,

such as me or you.

come me o voi.

And so while the immediate goal of my research

E così, mentre il primo obiettivo della mia ricerca

is to advance research and innovation

è far avanzare la ricerca e l'innovazione

and to reduce its cost,

e ridurne i costi,

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

il vero scopo è, ovviamente, quello di salvare vite.

And that's what I try to do

Ed è ciò che provo a fare

through mathematical modeling applied to biology,

applicando modelli matematici alla biologia,

and in particular, to the development of drugs.

ed in particolare allo sviluppo di farmaci.

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

Un campo che fino a poco tempo fa ha avuto un ruolo marginale,

but it has matured.

ma che è cresciuto.

And there are now very well-developed mathematical methods,

E adesso ci sono dei metodi matematici molto ben sviluppati,

a lot of preprogrammed tools,

molti strumenti pre programmati,

including free ones,

inclusi quelli gratuiti,

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

e una quantità sempre crescente di potenza computazionale disponibile.

The power and beauty of mathematical modeling

La potenza e la bellezza dei modelli matematici

lies in the fact that it makes you formalize,

si trova nel fatto che ci fa formalizzare,

in a very rigorous way,

in modo molto rigoroso,

what we think we know.

ciò che pensiamo di sapere.

We make assumptions,

Facciamo delle supposizioni,

translate them into equations,

le traduciamo in equazioni,

run simulations,

facciamo simulazioni,

all to answer the question:

tutto per rispondere alla domanda:

In a world where my assumptions are true,

In un mondo dove le mie supposizioni sono vere,

what do I expect to see?

che cosa mi aspetto di vedere?

It's a pretty simple conceptual framework.

È un contesto concettuale molto semplice.

It's all about asking the right questions.

Si tratta solo di fare le domande giuste.

But it can unleash numerous opportunities for testing biological hypotheses.

Ma può creare numerose opportunità per testare ipotesi biologiche.

If our predictions match our observations,

Se le previsioni corrispondono alle osservazioni,

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

ottimo! Abbiamo fatto bene, così possiamo fare altre previsioni

by changing this or that aspect of the model.

cambiando questo o quell'aspetto del modello.

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

Se, invece, le nostre previsioni non corrispondono alle osservazioni,

that means that some of our assumptions are wrong,

allora alcune delle nostre supposizioni sono sbagliate

and so our understanding of the key mechanisms

e così la comprensione dei meccanismi principali

of underlying biology

della biologia sottostante

is still incomplete.

è ancora incompleta.

Luckily, since this is a model,

Fortunatamente, dato che questo è un modello,

we control all the assumptions.

controlliamo tutte le supposizioni.

So we can go through them, one by one,

Così le possiamo valutare una ad una,

identifying which one or ones are causing the discrepancy.

e identificare quale o quali stiano causando la discrepanza.

And then we can fill this newly identified gap in knowledge

E poi possiamo riempire questo nuovo vuoto di conoscenza

using both experimental and theoretical approaches.

usando sia approcci sperimentali che teoretici.

Of course, any ecosystem is extremely complex,

Ovviamente, ogni ecosistema è estremamente complesso,

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

e identificare tutte le parti in movimento, non solo è molto difficile,

but also not very informative.

ma anche poco informativo.

There's also the issue of timescales,

C'è anche il problema della tempistica,

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

perché alcuni procedimenti avvengono in secondi, alcuni in minuti,

some days, months and years.

alcuni in giorni, mesi e anni.

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

E separarli sperimentalmente potrebbe non essere sempre possibile.

And some things happen so quickly or so slowly

E alcune cose accadono così velocemente o lentamente

that you may physically never be able to measure them.

che non è possibile misurarle fisicamente.

But as mathematicians,

Ma da matematici,

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

abbiamo il potere di avvicinarci ad ogni sottosistema in ogni tempistica

and simulate effects of interventions

e simulare gli effetti degli interventi

that take place in any timescale.

che accadono in ogni lasso di tempo.

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

Certamente questo non è il lavoro di un solo modellatore.

It has to happen in close collaboration with biologists.

Deve accadere in stretta collaborazione con i biologi.

And it does demand some capacity of translation

E richiede una certa capacità di traduzione

on both sides.

da entrambe le parti.

But starting with a theoretical formulation of a problem

Ma partire da una formulazione teoretica di un problema

can unleash numerous opportunities for testing hypotheses

può creare numerose opportunità per testare le ipotesi

and simulating scenarios and therapeutic interventions,

e simulare scenari e interventi terapeutici,

all in a completely safe way.

in modo del tutto sicuro.

It can identify gaps in knowledge and logical inconsistencies

Può identificare divari di conoscenza e inconsistenze logiche

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

e può farci capire dove dovremmo continuare a guardare

e dove potrebbe esserci un vicolo cieco.

and where there may be a dead end.

In other words:

In altre parole:

mathematical modeling can help us answer questions

i modelli matematici possono aiutarci a trovare risposte a quelle domande

that directly affect people's health --

che riguardano la salute delle persone,

that affect each person's health, actually --

in realtà, che riguardano la salute di ogni persona,

because mathematical modeling will be key

perché i modelli matematici saranno la chiave

to propelling personalized medicine.

per sviluppare la medicina personalizzata.

And it all comes down to asking the right question

E tutto si riduce a fare la domanda giusta

and translating it to the right equation ...

e tradurla nella giusta equazione

and back.

e viceversa

Thank you.

Grazie.

(Applause)

(Applausi)