TED@Merck KGaA, Darmstadt, Germany
Irina Kareva: Math can help uncover cancer's secrets
Ирина Карева: Математика может помочь раскрыть секреты рака
Filmed:
Readability: 5.8
1,223,313 views
Ирина Карева переводит с биологическиго языка на математический, и обратно. Она стремится разработать новые лекарства против опухолей и для этого создаёт математические модели, которые описывают динамику развития рака. «Вся прелесть математического моделирования заключается в возможности придать чёткую форму тому, что мы, по нашему мнению, знаем», — считает Карева. «Оно направит нас на правильный путь поиска и поможет выявить тупик». Всё исходит из постановки правильного вопроса и преобразования его в нужное уравнение и обратно.
Irina Kareva - Theoretical biologist
Irina Kareva is looking for answers to biological questions using mathematical modeling. Full bio
Irina Kareva is looking for answers to biological questions using mathematical modeling. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:12
I am a translator.
0
549
1243
Я переводчик.
00:14
I translate from biology into mathematics
1
2514
3191
Перевожу с биологического языка
на математический
на математический
00:17
and vice versa.
2
5729
1150
и обратно.
00:19
I write mathematical models
3
7588
1790
Я создаю математические модели —
00:21
which, in my case, are systems
of differential equations,
of differential equations,
4
9402
2847
системы дифференциальных уравнений —
00:24
to describe biological mechanisms,
5
12273
1947
для описания биологических процессов,
00:26
such as cell growth.
6
14244
1158
таких как рост клеток.
00:28
Essentially, it works like this.
7
16122
1848
Это работает следующим образом.
00:30
First, I identify the key elements
8
18573
2469
Вначале я выделяю ключевые элементы,
00:33
that I believe may be driving
behavior over time
behavior over time
9
21066
2777
которые, по моему мнению,
могут со временем повлиять
могут со временем повлиять
00:35
of a particular mechanism.
10
23867
1539
на конкретный процесс.
00:38
Then, I formulate assumptions
11
26230
1891
Далее я формулирую предположения
00:40
about how these elements
interact with each other
interact with each other
12
28145
2886
о взаимодействии
этих элементов между собой
этих элементов между собой
00:43
and with their environment.
13
31055
1337
и с окружающей средой.
00:44
It may look something like this.
14
32916
1772
Это выглядит примерно так.
00:46
Then, I translate
these assumptions into equations,
these assumptions into equations,
15
34712
3317
Затем я преобразовываю
эти предположения в уравнения.
эти предположения в уравнения.
00:50
which may look something like this.
16
38610
1824
Выглядит это всё примерно так.
00:53
Finally, I analyze my equations
17
41434
1890
Проанализировав полученные уравнения,
00:55
and translate the results back
into the language of biology.
into the language of biology.
18
43348
3101
я перевожу их обратно на язык биологии.
01:00
A key aspect of mathematical modeling
19
48156
2420
Ключевой аспект
математического моделирования
математического моделирования
01:02
is that we, as modelers,
do not think about what things are;
do not think about what things are;
20
50600
3908
заключается в том, что разработчики
не принимают во внимание сущность объекта,
не принимают во внимание сущность объекта,
01:06
we think about what they do.
21
54532
1855
а анализируют лишь его работу.
01:08
We think about relationships
between individuals,
between individuals,
22
56411
2489
Мы анализируем
взаимоотношения индивидуумов,
взаимоотношения индивидуумов,
01:10
whether they be cells, animals or people,
23
58924
2886
будь то клетки, животные или люди,
01:13
and how they interact with each other
and with their environment.
and with their environment.
24
61834
3048
их взаимодействие между собой
и с окружающей средой.
и с окружающей средой.
01:17
Let me give you an example.
25
65639
1340
Сейчас приведу пример.
01:19
What do foxes and immune cells
have in common?
have in common?
26
67719
3803
Что общего у лисы и иммунной клетки?
01:24
They're both predators,
27
72793
1459
Они обе являются хищниками,
01:26
except foxes feed on rabbits,
28
74744
2723
разве что лисицы питаются кроликами,
01:29
and immune cells feed on invaders,
such as cancer cells.
such as cancer cells.
29
77491
3330
а иммунные клетки —
захватчиками, типа раковых клеток.
захватчиками, типа раковых клеток.
01:33
But from a mathematical point of view,
30
81273
2345
Однако с математической точки зрения
01:35
a qualitatively same system
of predator-prey type equations
of predator-prey type equations
31
83642
4156
взаимоотношения лисицы и кролика,
раковых и иммунных клеток
01:39
will describe interactions
between foxes and rabbits
between foxes and rabbits
32
87822
3245
описывает одно и то же
уравнение «хищник — жертва».
уравнение «хищник — жертва».
01:43
and cancer and immune cells.
33
91091
1774
01:45
Predator-prey type systems
have been studied extensively
have been studied extensively
34
93609
2708
Модели «хищник — жертва» широко освещены
01:48
in scientific literature,
35
96341
1269
в научной литературе,
01:49
describing interactions
of two populations,
of two populations,
36
97634
2378
описывающей взаимодействие двух популяций,
01:52
where survival of one depends
on consuming the other.
on consuming the other.
37
100036
2775
при котором один вид выживает,
поедая другой.
поедая другой.
01:55
And these same equations
provide a framework
provide a framework
38
103485
2620
То же уравнение используется для анализа
01:58
for understanding
cancer-immune interactions,
cancer-immune interactions,
39
106129
2311
взаимодействия рака и иммунитета:
02:00
where cancer is the prey,
40
108464
1841
рак выступает в качестве жертвы,
02:02
and the immune system is the predator.
41
110329
2372
а иммунная система — хищника.
02:04
And the prey employs all sorts of tricks
to prevent the predator from killing it,
to prevent the predator from killing it,
42
112725
4032
Чтобы не быть убитой хищником,
жертва прибегает ко всевозможным уловкам,
жертва прибегает ко всевозможным уловкам,
02:08
ranging from camouflaging itself
43
116781
1820
от маскировки
02:10
to stealing the predator's food.
44
118625
1839
до кражи еды хищника.
02:13
This can have some very
interesting implications.
interesting implications.
45
121352
2562
Всё это может иметь довольно
любопытные последствия.
любопытные последствия.
02:15
For example, despite enormous successes
in the field of immunotherapy,
in the field of immunotherapy,
46
123938
4822
Например, не смотря на поразительные
успехи в области иммунотерапии,
успехи в области иммунотерапии,
02:20
there still remains
somewhat limited efficacy
somewhat limited efficacy
47
128784
2461
её эффективность
в борьбе с со́лидными опухолями
в борьбе с со́лидными опухолями
02:23
when it comes solid tumors.
48
131269
1542
всё равно несколько ограничена.
02:25
But if you think about it ecologically,
49
133423
2559
Однако если посмотреть
с точки зрения экологии,
с точки зрения экологии,
02:28
both cancer and immune cells --
50
136006
2090
раковым и иммунным клеткам —
02:30
the prey and the predator --
51
138120
1600
жертве и хищнику —
02:31
require nutrients
such as glucose to survive.
such as glucose to survive.
52
139744
3031
для выживания нужны питательные
вещества, например глюкоза.
вещества, например глюкоза.
02:35
If cancer cells outcompete
the immune cells for shared nutrients
the immune cells for shared nutrients
53
143358
4789
Если раковые клетки отбирают
питательные вещества у иммунных
питательные вещества у иммунных
02:40
in the tumor microenvironment,
54
148171
1793
в микросреде опухоли,
02:41
then the immune cells will physically
not be able to do their job.
not be able to do their job.
55
149988
3414
иммунные клетки физически
не могут выполнять свою работу.
не могут выполнять свою работу.
02:46
This predator-prey-shared
resource type model
resource type model
56
154291
2868
Я работаю над этой моделью
02:49
is something I've worked on
in my own research.
in my own research.
57
157183
2297
распределения ресурсов
между хищником и жертвой.
между хищником и жертвой.
02:51
And it was recently shown experimentally
58
159504
2724
Недавно экспериментально было доказано,
02:54
that restoring the metabolic balance
in the tumor microenvironment --
in the tumor microenvironment --
59
162252
4054
что восстановление метаболического
баланса в микросреде опухоли —
баланса в микросреде опухоли —
02:58
that is, making sure
immune cells get their food --
immune cells get their food --
60
166330
3531
то есть уверенность в том,
что иммунные клетки получат свою пищу, —
что иммунные клетки получат свою пищу, —
03:01
can give them, the predators, back
their edge in fighting cancer, the prey.
their edge in fighting cancer, the prey.
61
169885
5245
может вернуть хищникам преимущество
в борьбе с жертвой, с раком.
в борьбе с жертвой, с раком.
03:08
This means that if you abstract a bit,
62
176440
2339
Выражаясь абстрактно,
03:10
you can think about cancer itself
as an ecosystem,
as an ecosystem,
63
178803
2955
сам по себе рак можно
рассматривать как экосистему,
рассматривать как экосистему,
03:13
where heterogeneous populations of cells
compete and cooperate
compete and cooperate
64
181782
4287
где гетерогенные популяции клеток
соревнуются и объединяются
соревнуются и объединяются
03:18
for space and nutrients,
65
186093
2017
в борьбе за место и питательные вещества,
03:20
interact with predators --
the immune system --
the immune system --
66
188134
2672
взаимодействуют с хищниками —
иммунной системой,
иммунной системой,
03:22
migrate -- metastases --
67
190830
2241
мигрируют — в виде метастаз,
03:25
all within the ecosystem
of the human body.
of the human body.
68
193095
2467
и всё это в рамках
экосистемы человеческого тела.
экосистемы человеческого тела.
03:28
And what do we know about most
ecosystems from conservation biology?
ecosystems from conservation biology?
69
196221
3869
Что мы знаем о большинстве экосистем
из природоохранной биологии?
из природоохранной биологии?
03:32
That one of the best ways
to extinguish species
to extinguish species
70
200643
2852
Один из лучших способов
избавиться от видов —
избавиться от видов —
03:35
is not to target them directly
71
203519
1952
атаковать не их самих,
03:37
but to target their environment.
72
205495
2439
а их среду обитания.
03:40
And so, once we have identified
the key components
the key components
73
208880
3070
Итак, выделив ключевые компоненты
03:43
of the tumor environment,
74
211974
1644
среды обитания опухоли,
03:45
we can propose hypotheses
75
213642
1948
можно будет предложить гипотезу,
03:47
and simulate scenarios
and therapeutic interventions
and therapeutic interventions
76
215614
3294
смоделировать возможное течение болезни
и терапевтическую помощь —
и терапевтическую помощь —
03:50
all in a completely safe
and affordable way
and affordable way
77
218932
3425
абсолютно безопасную и недорогую —
03:54
and target different components
of the microenvironment
of the microenvironment
78
222381
3369
и атаковать разные компоненты микросреды,
03:57
in such a way as to kill the cancer
without harming the host,
without harming the host,
79
225774
3996
чтобы убить рак без вреда организму,
04:01
such as me or you.
80
229794
1570
моему или вашему.
04:05
And so while the immediate
goal of my research
goal of my research
81
233029
3002
Непосредственная цель моего исследования —
04:08
is to advance research and innovation
82
236055
2266
продвижение исследований и инноваций
04:10
and to reduce its cost,
83
238345
1896
и уменьшение их стоимости,
04:12
the real intent, of course,
is to save lives.
is to save lives.
84
240265
2517
однако истинная цель,
разумеется, спасение жизней.
разумеется, спасение жизней.
04:15
And that's what I try to do
85
243278
1771
Именно этого я пытаюсь добиться,
04:17
through mathematical modeling
applied to biology,
applied to biology,
86
245073
2747
применяя математическое
моделирование в биологии,
моделирование в биологии,
04:19
and in particular,
to the development of drugs.
to the development of drugs.
87
247844
2471
в частности при разработке лекарств.
04:22
It's a field that until relatively
recently has remained somewhat marginal,
recently has remained somewhat marginal,
88
250895
4056
До недавнего времени эта сфера
оставалась несколько второстепенной,
оставалась несколько второстепенной,
04:26
but it has matured.
89
254975
1452
но теперь заметно окрепла.
04:28
And there are now very well-developed
mathematical methods,
mathematical methods,
90
256451
3149
Сейчас есть высокоразвитые
математические методы,
математические методы,
04:31
a lot of preprogrammed tools,
91
259624
1899
много программных инструментов,
04:33
including free ones,
92
261547
1496
включая бесплатные,
04:35
and an ever-increasing amount
of computational power available to us.
of computational power available to us.
93
263067
4047
а доступные нам вычислительные
мощности постоянно растут.
мощности постоянно растут.
04:40
The power and beauty
of mathematical modeling
of mathematical modeling
94
268718
3399
Прелесть математического моделирования
04:44
lies in the fact
that it makes you formalize,
that it makes you formalize,
95
272141
2641
заключается в возможности придать
04:46
in a very rigorous way,
96
274806
2087
конкретную форму тому,
04:48
what we think we know.
97
276917
1465
что мы, как нам кажется, знаем.
04:50
We make assumptions,
98
278904
1444
Мы делаем предположения,
04:52
translate them into equations,
99
280372
1568
преобразовываем их в уравнения,
04:53
run simulations,
100
281964
1311
проводим эксперименты,
04:55
all to answer the question:
101
283299
1773
чтобы узнать ответ на вопрос:
04:57
In a world where my assumptions are true,
102
285096
2246
в мире, где мои предположения верны,
04:59
what do I expect to see?
103
287366
1570
что я ожидаю увидеть?
05:01
It's a pretty simple conceptual framework.
104
289890
2086
Довольно простая и понятная концепция.
05:04
It's all about asking the right questions.
105
292000
2226
Вся суть в постановке правильных вопросов.
05:06
But it can unleash numerous opportunities
for testing biological hypotheses.
for testing biological hypotheses.
106
294603
4095
Мы получаем безграничные возможности
проверки биологических гипотез.
проверки биологических гипотез.
05:11
If our predictions match our observations,
107
299696
2600
Если наши прогнозы и наблюдения совпали,
05:14
great! -- we got it right,
so we can make further predictions
so we can make further predictions
108
302320
3027
отлично — мы были правы
и можем делать новые прогнозы,
и можем делать новые прогнозы,
05:17
by changing this or that
aspect of the model.
aspect of the model.
109
305371
2560
меняя один из аспектов модели.
05:20
If, however, our predictions
do not match our observations,
do not match our observations,
110
308733
3700
Однако если наши прогнозы не оправдались,
05:24
that means that some
of our assumptions are wrong,
of our assumptions are wrong,
111
312457
2585
значит, одно из наших
предположений неверно,
предположений неверно,
05:27
and so our understanding
of the key mechanisms
of the key mechanisms
112
315066
2433
а понимание ключевых механизмов
05:29
of underlying biology
113
317523
1439
базовой биологии
05:30
is still incomplete.
114
318986
1270
всё ещё неполное.
05:32
Luckily, since this is a model,
115
320829
2362
К счастью, это лишь модель,
05:35
we control all the assumptions.
116
323215
1889
и мы сами делаем предположения.
05:37
So we can go through them, one by one,
117
325128
2140
Можно постепенно проверить их все,
05:39
identifying which one or ones
are causing the discrepancy.
are causing the discrepancy.
118
327292
3829
чтобы определить, что именно
вызывает расхождение.
вызывает расхождение.
05:43
And then we can fill this newly
identified gap in knowledge
identified gap in knowledge
119
331637
3356
Затем мы можем заполнить
найденный пробел в знаниях
найденный пробел в знаниях
05:47
using both experimental
and theoretical approaches.
and theoretical approaches.
120
335017
2715
с помощью экспериментального
и теоретического подходов.
и теоретического подходов.
05:50
Of course, any ecosystem
is extremely complex,
is extremely complex,
121
338699
2821
Разумеется, структура любой
экосистемы очень сложна,
экосистемы очень сложна,
05:53
and trying to describe all the moving
parts is not only very difficult,
parts is not only very difficult,
122
341544
3843
поэтому попытки описать даже
какой-то её элемент крайне затруднительны
какой-то её элемент крайне затруднительны
05:57
but also not very informative.
123
345411
1662
и малоинформативны.
05:59
There's also the issue of timescales,
124
347518
2066
Существует также вопрос временных рамок,
06:01
because some processes take place
on a scale of seconds, some minutes,
on a scale of seconds, some minutes,
125
349608
3668
потому что некоторые процессы
занимают секунды или минуты,
занимают секунды или минуты,
06:05
some days, months and years.
126
353300
1948
а другие — дни, месяцы или годы.
06:07
It may not always be possible
to separate those out experimentally.
to separate those out experimentally.
127
355272
3199
Не всегда есть возможность
проверить допущения экспериментально.
проверить допущения экспериментально.
06:11
And some things happen
so quickly or so slowly
so quickly or so slowly
128
359143
3384
Некоторые процессы происходят
настолько быстро или медленно,
настолько быстро или медленно,
06:14
that you may physically
never be able to measure them.
never be able to measure them.
129
362551
2720
что мы физически
не сможем оценить результаты.
не сможем оценить результаты.
06:17
But as mathematicians,
130
365295
2288
Но математики
06:19
we have the power to zoom in
on any subsystem in any timescale
on any subsystem in any timescale
131
367607
5645
могут детализировать любую подсистему
независимо от временных рамок
независимо от временных рамок
06:25
and simulate effects of interventions
132
373276
2124
и смоделировать последствия вмешательства
06:27
that take place in any timescale.
133
375424
2701
в любых временных рамках.
06:31
Of course, this isn't the work
of a modeler alone.
of a modeler alone.
134
379942
2934
Разумеется, над этим работает
не один специалист.
не один специалист.
06:34
It has to happen in close
collaboration with biologists.
collaboration with biologists.
135
382900
3289
Необходимо тесное
сотрудничество с биологами.
сотрудничество с биологами.
06:38
And it does demand
some capacity of translation
some capacity of translation
136
386213
3004
Также требуются некоторые навыки перевода
06:41
on both sides.
137
389241
1204
в обеих направлениях.
06:43
But starting with a theoretical
formulation of a problem
formulation of a problem
138
391550
3788
Но теоретическое формулирование
проблемы может открыть
проблемы может открыть
06:47
can unleash numerous opportunities
for testing hypotheses
for testing hypotheses
139
395362
3497
множество возможностей
для проверки гипотез,
для проверки гипотез,
06:50
and simulating scenarios
and therapeutic interventions,
and therapeutic interventions,
140
398883
3239
моделирования процессов,
терапевтической помощи,
терапевтической помощи,
06:54
all in a completely safe way.
141
402146
2070
и всё это абсолютно безопасно.
06:56
It can identify gaps in knowledge
and logical inconsistencies
and logical inconsistencies
142
404977
5175
Мы сможем найти пробелы в знаниях
и логические несоответствия,
и логические несоответствия,
07:02
and can help guide us
as to where we should keep looking
as to where we should keep looking
143
410176
2839
встать на правильный путь поиска
07:05
and where there may be a dead end.
144
413039
1895
и обнаружить тупики.
07:07
In other words:
145
415632
1247
Другими словами,
07:08
mathematical modeling
can help us answer questions
can help us answer questions
146
416903
3494
математическое моделирование
поможет ответить на вопросы,
поможет ответить на вопросы,
07:12
that directly affect people's health --
147
420421
2388
напрямую связанные
со здоровьем человечества,
со здоровьем человечества,
07:15
that affect each
person's health, actually --
person's health, actually --
148
423942
2704
а точнее, каждого
отдельно взятого человека,
отдельно взятого человека,
07:18
because mathematical modeling will be key
149
426670
2676
потому что математическое
моделирование станет ключом
моделирование станет ключом
к внедрению персонализированной медицины.
07:21
to propelling personalized medicine.
150
429370
1834
07:24
And it all comes down
to asking the right question
to asking the right question
151
432112
3067
И это всё исходит из постановки
правильного вопроса
правильного вопроса
07:27
and translating it
to the right equation ...
to the right equation ...
152
435711
2075
и преобразования его в нужное уравнение...
07:30
and back.
153
438670
1150
и обратно.
07:32
Thank you.
154
440533
1151
Спасибо.
07:33
(Applause)
155
441708
3299
(Аплодисменты)
ABOUT THE SPEAKER
Irina Kareva - Theoretical biologistIrina Kareva is looking for answers to biological questions using mathematical modeling.
Why you should listen
Dr. Irina Kareva studies cancer as an evolving ecosystem, bringing in insights from various disciplines -- from evolutionary biology to paleontology to ergodic theory -- to understand how we can manage, if not cure, cancer like a chronic disease. She has authored more than 25 publications, including several papers with her parents, who are also mathematicians. The Kareva clan was featured in a Nature article entitled "Relationships: Scions of Science."
Kareva is a research scientist at EMD Serono Research Center near Boston Massachusetts, US. Her book, Understanding Cancer from a Systems Biology Point of View: From Observation to Theory and Back, was recently published by Elsevier, and a second book on mathematical modeling of the evolution of heterogeneous populations will be released in mid-2019.
In addition to her scientific studies and endeavors, Kareva also holds a degree in music and works actively as a professional opera singer. She is a member of the Boston Symphony Orchestra’s Tanglewood Festival Chorus, has performed solo roles in local productions, religious music performances, and can even occasionally be heard in pieces as varied as video game soundtracks and heavy metal recordings.
Irina Kareva | Speaker | TED.com