Math can help uncover cancer's secrets | Irina Kareva

Vertaald door: Rosa F Nagekeken door: Axel Saffran

I am a translator.

Ik ben een vertaler.

I translate from biology into mathematics

Ik vertaal van biologie naar wiskunde

and vice versa.

en andersom.

I write mathematical models

Ik schrijf wiskundige modellen;

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

in mijn geval: stelsels van differentiaalvergelijkingen

to describe biological mechanisms,

om biologische mechanismen, zoals celgroei te beschrijven.

such as cell growth.

Essentially, it works like this.

In principe werkt het als volgt:

First, I identify the key elements

eerst stel ik de hoofdelementen vast

die gedurende een bepaalde periode het gedrag bepalen

that I believe may be driving behavior over time

of a particular mechanism.

van een bepaald mechanisme.

Then, I formulate assumptions

Vervolgens formuleer ik veronderstellingen

about how these elements interact with each other

over de interactie tussen de variabelen

en de interactie met hun omgeving.

and with their environment.

It may look something like this.

Dat kan er zo uitzien.

Then, I translate these assumptions into equations,

De veronderstellingen vertaal ik naar vergelijkingen.

which may look something like this.

En dat kan er zo uitzien.

Finally, I analyze my equations

Tot slot analyseer ik mijn vergelijkingen

and translate the results back into the language of biology.

en vertaal ik de resultaten terug naar de taal van de biologie.

Een basisprincipe van wiskundig modelleren

A key aspect of mathematical modeling

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

is dat wij niet focussen op wat dingen zijn,

maar op wat ze doen.

we think about what they do.

We think about relationships between individuals,

We denken na over relaties tussen individuen,

whether they be cells, animals or people,

of het nu cellen, dieren of mensen zijn,

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

en hoe ze onderling en met hun omgeving communiceren.

Let me give you an example.

Een voorbeeld:

What do foxes and immune cells have in common?

wat hebben vossen en immuuncellen gemeen?

They're both predators,

Het zijn beide predatoren,

except foxes feed on rabbits,

alleen jagen vossen op konijnen

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

en immuuncellen op indringers, zoals kankercellen.

But from a mathematical point of view,

Vanuit een wiskundige perspectief

a qualitatively same system of predator-prey type equations

kan een kwalitatief identiek type predator-prooivergelijking

will describe interactions between foxes and rabbits

zowel de interacties beschrijven tussen vossen en konijnen,

als tussen kanker- en immuuncellen.

and cancer and immune cells.

Predator-prey type systems have been studied extensively

Predator-prooirelaties zijn uitgebreid onderzocht

in wetenschappelijke literatuur.

in scientific literature,

describing interactions of two populations,

Ze beschrijven interacties tussen twee populaties,

waarbij de een overleeft door de ander te consumeren.

where survival of one depends on consuming the other.

And these same equations provide a framework

Dezelfde vergelijkingen bieden een kader

voor het begrijpen van kanker-immuun interacties

for understanding cancer-immune interactions,

where cancer is the prey,

waar de kanker de prooi is

and the immune system is the predator.

en het immuunsysteem de predator.

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

De prooi gebruikt allerlei trucks om te voorkomen dat de predator hem doodt.

ranging from camouflaging itself

Variërend van camouflage

to stealing the predator's food.

tot voedsel stelen van de predator.

This can have some very interesting implications.

Dit kan interessante gevolgen hebben.

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

Bijvoorbeeld:

ondanks grote successen in de immunotherapie

there still remains somewhat limited efficacy

is er nog steeds een beperkte werkzaamheid

when it comes solid tumors.

als het om tumoren gaat.

But if you think about it ecologically,

Maar ecologisch gezien,

hebben zowel kanker- als immuuncellen,

both cancer and immune cells --

the prey and the predator --

de prooi en de predator,

require nutrients such as glucose to survive.

voedingsstoffen zoals glucose nodig om te overleven.

If cancer cells outcompete the immune cells for shared nutrients

Als de kankercellen zoveel nutriënten opnemen

dat er rond de tumor een tekort ontstaat voor de immuuncellen,

in the tumor microenvironment,

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

dan zijn deze niet in staat om hun werk te doen.

This predator-prey-shared resource type model

Dit predator-prooimodel waarbij hulpbronnen gedeeld worden,

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

heb ik zelf onderzocht.

And it was recently shown experimentally

Uit experimenten is pas gebleken

dat herstel van de metabolische balans in het micromilieu van de tumor

that restoring the metabolic balance in the tumor microenvironment --

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

oftewel: zorgen voor genoeg voedsel voor de immuuncellen,

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

hen, de predatoren, hun voorsprong teruggeeft op de kanker: de prooi.

This means that if you abstract a bit,

Maken we dit abstract

you can think about cancer itself as an ecosystem,

dan kun je kanker zien als een ecosysteem

where heterogeneous populations of cells compete and cooperate

waar heterogene populaties cellen concurreren en samenwerken

om ruimte en nutriënten te verkrijgen,

for space and nutrients,

interact with predators -- the immune system --

communiceren met predatoren: het immuunsysteem,

migrate -- metastases --

migreren: metastase,

allemaal binnen het ecosysteem van het menselijk lichaam.

all within the ecosystem of the human body.

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

En wat weten we over de meeste ecosystemen vanuit de 'conservation biology'?

That one of the best ways to extinguish species

Een van de beste manieren om soorten te doen uitsterven

is not to target them directly

is niet het direct aanvallen van de soort,

but to target their environment.

maar beïnvloeding van hun omgeving.

And so, once we have identified the key components

Als we de hoofdfactoren hebben vastgesteld

of the tumor environment,

in de omgeving van de tumor,

we can propose hypotheses

kunnen we hypotheses opstellen

and simulate scenarios and therapeutic interventions

en scenario's en therapeutische ingrepen simuleren

all in a completely safe and affordable way

op volledig veilige en betaalbare wijze

and target different components of the microenvironment

en verschillende componenten van de omgeving aanvallen

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

om de kanker te doden zonder de gastheer, zoals jij of ik, kwaad te doen.

such as me or you.

Al is het hoofddoel van mijn onderzoek

And so while the immediate goal of my research

is to advance research and innovation

het verbeteren van onderzoek en innovatie

and to reduce its cost,

en de kosten hiervan te verminderen,

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

de echte intentie is natuurlijk: het redden van levens.

And that's what I try to do

En dat probeer ik te doen

met het toepassen van wiskundige modellen op de biologie

through mathematical modeling applied to biology,

and in particular, to the development of drugs.

en vooral op de ontwikkeling van medicijnen.

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

Het is een tot voor kort vrij marginaal onderzoeksgebied,

but it has matured.

maar het is gegroeid.

And there are now very well-developed mathematical methods,

Nu zijn er goed ontwikkelde wiskundige methodes,

a lot of preprogrammed tools,

veel voorgeprogrammeerde tools,

including free ones,

waarvan sommige zelfs gratis

en een immer toenemende hoeveelheid computercapaciteit.

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

The power and beauty of mathematical modeling

De kracht en schoonheid van wiskundig modelleren

zit hem in het feit dat het ons op rigoureuze wijze doet formaliseren

lies in the fact that it makes you formalize,

in a very rigorous way,

what we think we know.

wat we denken te weten.

We make assumptions,

We veronderstellen iets,

translate them into equations,

vertalen dat in vergelijkingen,

run simulations,

draaien simulaties,

voor het antwoord op de vraag:

all to answer the question:

in een wereld waarin mijn aannames waar zijn,

In a world where my assumptions are true,

what do I expect to see?

wat verwacht ik daar te zien?

It's a pretty simple conceptual framework.

Het is een simpel conceptueel kader.

Het gaat erom de juiste vraag te stellen.

It's all about asking the right questions.

But it can unleash numerous opportunities for testing biological hypotheses.

Het biedt echter veel mogelijkheden om biologische hypotheses te testen.

If our predictions match our observations,

Als onze voorspellingen matchen met onze waarnemingen

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

mooi! -- we hebben gelijk en kunnen nieuwe voorspellingen doen

door iets aan een aspect van het model te veranderen.

by changing this or that aspect of the model.

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

Als de voorspellingen niet overeenstemmen met onze waarnemingen

betekent het dat sommige aannames onjuist zijn

that means that some of our assumptions are wrong,

en is onze kennis van alle hoofdmechanismen

and so our understanding of the key mechanisms

of underlying biology

van de onderliggende biologie

is still incomplete.

nog niet volledig.

Luckily, since this is a model,

Gelukkig, gezien het een model betreft,

controleren wij alle aannames,

we control all the assumptions.

en kunnen we ze één voor één nagaan

So we can go through them, one by one,

identifying which one or ones are causing the discrepancy.

om te identificeren welke de discrepantie veroorzaken.

And then we can fill this newly identified gap in knowledge

Dan kunnen we dit nieuw ontdekte gat in onze kennis gaan vullen

met zowel experimentele als theoretische benaderingen.

using both experimental and theoretical approaches.

Of course, any ecosystem is extremely complex,

Gezien ecosystemen erg complex zijn,

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

is het niet alleen erg moeilijk om alle onderdelen te beschrijven,

but also not very informative.

maar ook weinig informatief.

There's also the issue of timescales,

Dan is er nog het probleem met de tijd;

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

sommige processen vinden plaats in secondes, sommige in minuten

sommige in dagen, maanden of jaren.

some days, months and years.

Het is niet altijd mogelijk om deze experimenteel te scheiden.

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

En sommige dingen gebeuren zo snel of langzaam

And some things happen so quickly or so slowly

that you may physically never be able to measure them.

dat we niet in staat zijn om ze te meten.

Maar als wiskundigen

But as mathematicians,

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

kunnen we inzoomen op elk subsysteem in elke tijdschaal

en effecten van interventies simuleren

and simulate effects of interventions

that take place in any timescale.

die plaatsvinden in elke willekeurige tijdschaal.

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

Natuurlijk werkt een modeleerder hier niet alleen aan.

It has to happen in close collaboration with biologists.

Dit moet in nauwe samenwerking met biologen gebeuren.

Dat vraagt om enig vermogen tot vertalen

And it does demand some capacity of translation

van beide kanten.

on both sides.

Maar beginnen met een theoretische formulering van een probleem

But starting with a theoretical formulation of a problem

can unleash numerous opportunities for testing hypotheses

kan veel mogelijkheden opleveren voor het testen van hypotheses

and simulating scenarios and therapeutic interventions,

en het simuleren van scenario's en therapeutische ingrepen

op een volledig veilige manier.

all in a completely safe way.

It can identify gaps in knowledge and logical inconsistencies

Het kan gaten in kennis opsporen en logische tegenstrijdigheden

en ons laten zien waar we verder moeten zoeken

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

en waar het spoor dood loopt.

and where there may be a dead end.

In other words:

Met andere woorden:

mathematical modeling can help us answer questions

wiskundige systemen kunnen vragen helpen beantwoorden

that directly affect people's health --

die direct invloed hebben op mensen hun gezondheid,

that affect each person's health, actually --

eigenlijk op een ieders gezondheid,

because mathematical modeling will be key

omdat wiskundige modellen de sleutel zullen zijn

to propelling personalized medicine.

tot het personaliseren van medicijnen.

Het komt allemaal neer op het stellen van de juiste vraag

And it all comes down to asking the right question

and translating it to the right equation ...

en deze te vertalen naar de juiste vergelijking...

and back.

en terug.

Thank you.

Dank jullie wel.

(Applause)

(Applaus)