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急性胰腺炎肝损伤的分子机制
DOI: 10.3969/j.issn.1001-5256.2022.11.045
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摘要: 急性胰腺炎进展十分迅速，如不及时控制，可能引发多脏器损伤，更有甚者会因器官功能衰竭而死亡。目前因肝衰竭而死亡的急性胰腺炎患者比例仍较大。肝脏与胰腺在生理上相互联系，在病理上相互影响。本文通过胰腺与肝脏的生理联系、细胞因子、炎症反应、氧化应激、微循环障碍及肠道菌群移位等6个方面对急性胰腺炎肝损伤的分子机制进行阐述。Abstract: Acute pancreatitis often progresses rapidly, and if it is not controlled in time, it may lead to multiple organ injury and even death due to organ failure. At present, there is still a high proportion of patients with acute pancreatitis who died due to liver failure. The liver and the pancreas are interrelated physiologically and affect each other pathologically. This article elaborates on the molecular mechanism of liver injury in acute pancreatitis from the six aspects of the physiological relationship between the pancreas and the liver, cytokines, inflammatory response, oxidative stress, microcirculation disturbance, and intestinal flora translocation.
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Key words:
- Acute Pancreatitis /
- Liver Injury /
- Cytokines
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急性胰腺炎是各种刺激导致腺泡中胰酶被激活，造成各种炎性因子释放而引起的由局部到全身的炎症性反应。肝脏在急性胰腺炎过程中往往最易也最先受损，15%~60%的急性胰腺炎患者会合并肝损伤。急性胰腺炎作为一种消化系统急症，1961年—2016年在欧美等国家发病人数每年增长率在2.77%~3.67%[1]。全球急性胰腺炎的发病率为33.74(95%CI：23.33~48.81)/100 000例，而其中每年1.60(95%CI：0.85~1.58)/100 000例死亡[2]。在死亡病例中因肝衰竭而死亡的人数占83%[3]。随着饮食结构的改变，我国急性胰腺炎呈现年轻化、重症化的特点[4]。随着病情进展，肝脏在急性胰腺炎继发多脏器损伤的过程中发挥着桥梁的作用。阻断急性胰腺炎肝损伤有助于逆转急性胰腺炎继发多脏器损伤的进程。本文将从胰腺与肝脏的生理联系、细胞因子、炎症反应、氧化应激、微循环障碍、肠道菌群6个方面阐述急性胰腺炎肝损伤发生的分子机制，以期为防治急性胰腺炎并发多脏器损伤提供一定的参考。
1. 胰腺与肝脏的生理联系
在胚胎发育早期，胰腺起始于原肠尾部腹侧和背侧胰芽[5]，这与肝脏发育起始几乎位于同一区域，早期原肠外包裹着完整的膜系结构，伴随着胚胎逐渐发育成熟，原肠外膜系结构发展成为肠系膜，近年来有假设提出这种膜系结构在肝脏和胰腺发育的过程中得以保留，成熟的肝、胆、胰等脏器通过这些系膜形成生理性粘连[6]，由此推测胰腺与肝脏之间可能通过“系膜系统”的血管与淋巴管构成一个局部的微循环系统，并作为各种细胞因子的桥梁，在胰腺炎过程中对肝脏造成直接的损伤。从解剖学来看，肝脏通过门静脉收集来自胰腺的血液。肝脏拥有双重血供，使肝细胞生长于富氧环境中，这也决定了肝细胞较其他器官细胞对缺血缺氧环境更加敏感。而且肝和胰腺的淋巴结及神经纤维系统错综复杂，相互交织成网，这都为胰腺炎继发肝损伤提供了支持。有研究[7]证实，切断动物双侧内脏大神经能够通过核因子-κB(NF-κB)途径改善急性胰腺炎肝损伤程度。这在一定程度上反映了胰肝系膜系统的完整性。
2. 细胞因子
人体细胞因子总量的50%在肝脏内产生，肝内Kupffer细胞作为人体最大的巨噬细胞群在细胞因子的释放过程中发挥着重要的作用。肝脏内巨噬细胞受到胰腺释放的损伤因子的刺激后，活化为具有介导炎症反应的M1巨噬细胞和具有抗炎作用的M2巨噬细胞，M1和M2巨噬细胞在一定条件下可以相互转化。近来有研究[8]证实，IL-4受体亚单位α通过激活ECM/Akt信号通路促使Kupffer细胞由M1向M2表型转化，发挥抗炎作用，从而减轻肝细胞的损伤。M1巨噬细胞在向损伤部位募集的过程中能够释放IL-17、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-23、IL-12、TNFα、巨噬细胞游走抑制因子(macrophage migration inhibitory factor, MIF)等多种细胞因子，诱导肝脏炎症反应，引起肝细胞损伤。表 1总结了急性胰腺炎过程中各种细胞因子对肝脏的作用。
表 1 急性胰腺炎过程中细胞因子对肝脏的作用Table 1. Effect of cytokines on liver during acute pancreatitis细胞因子 对肝脏的作用机制 IL-17 促进Kupffer细胞极化为M1巨噬细胞，加重肝脏的炎症反应[9]，IL-17可增强炎症反应过程中ERK的活性，诱导、加重肝损伤[10] IL-18 激活MAPK和PI3K/AKT信号通路诱导大量细胞因子产生，加重肝脏炎症损伤[11]。同时，还能够刺激IFNγ的产生，并增强T淋巴细胞和NK细胞的能力 IL-1β 诱导炎性细胞产生IL-6、IL-18、TNFα、ICAM-1、Es及趋化因子等，介导炎症反应、肝细胞凋亡等过程[12] NLRP-3 NLRP-3作为炎症反应的核心环节，其活化有利于半胱天冬酶原-1、IL-1β、IL-18等中下游促炎因子的活化[13]，还能够通过阻碍肝脏炎症反应过程中线粒体自噬来加重肝缺血/再灌注过程中的损伤[14] IL-6 诱导STAT3磷酸化，CXCL1与G蛋白结合后传递损伤部位信息，促使白细胞向损伤部位移动[15]。作为CRP上游的炎症因子参与炎症和免疫反应，IL-6通过其信号转导因子gp130发挥功能，进而激活MAPK，启动JAK/STAT信号通路，促进急性胰腺炎肝损伤的发生[16] TNFα 激活T淋巴细胞，促进IL-1、IL-2、IL-6的分泌，诱发炎症反应，在高浓度时会破坏机体的免疫平衡，在炎症级联反应中起放大作用，释放具有单核细胞抑制作用的蛋白HMGB、HSP，继而激活单核细胞/巨噬细胞表达的TLR，释放细胞因子和趋化因子激活促炎反应[17] MIF 通过激活P38-MAPK和NF-κB信号传导途径促进巨噬细胞分泌IL-1、IL-6、IL-12、TNFα等炎症因子加重急性胰腺炎过程中的肝内胆管损伤和炎症反应[18] MCP-1 趋化单核细胞且激活单核细胞与免疫应答，与肝损伤的严重程度有关，反映肝巨噬细胞活化的程度[19] ICAM-1 参与白细胞和血管内皮细胞的黏附和聚集，使肝脏微血管通透性增加，血管内皮损伤，造成肝脏微循环障碍[20] MIP-2 激活Kupffer细胞释放，趋化和激活中性粒细胞释放多种炎症介质导致肝脏炎性损伤[21] ROS 参与蛋白酪氨酸磷酸化，激活NF-κB、JNK、MAPK、TXNIP/NLRP-3信号通路等炎性通路，下调PPARγ信号，促进炎性因子如IL-1、IL-6、TNFα、iNOS的产生。增加血清AST、ALT、TBil含量，加重肝损伤[22] 注：ERK，细胞外信号调节激酶；MAPK，丝裂原活化蛋白激酶；PI3K/AKT，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B；NK细胞，自然杀伤细胞；ICAM-1，细胞间黏附分子；Es，E-选择素；NLRP-3，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3；STAT3，信号传导与转录激活因子3；CXCL1，趋化因子(CXC基序)配体1；JAK，非受体酪氨酸激酶；CRP，C反应蛋白；gp130，糖蛋白130；HSP，热休克蛋白；TLR，Toll样受体；MCP-1，单核细胞趋化因子1；MIP-2，巨噬细胞炎性蛋白2；ROS，活性氧；JNK，蛋白激酶；TXNIP，硫氧还蛋白互作蛋白；PPARγ，过氧化物酶体增殖物激活受体γ；iNOS，诱导型一氧化氮合酶。 3. 炎症反应
急性胰腺炎过程中所释放的大量细胞因子是引起炎症反应的物质基础，急性胰腺炎初期是局部的无菌性炎症，继而引起全身各脏器的炎症反应综合征(systemic inflammatory response syndrome, SIRS)，并伴随补偿性抗炎综合征(compensatory anti-inflammatory response syndrome, CARS)。在急性胰腺炎肝损伤初期阶段，JAK将STAT磷酸化，STAT二聚化后进入细胞核内进行相关基因表达，释放TNFα、IL-18、IL-6等早期细胞因子[23]。与JAK释放炎症介质的途径相仿，蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)作为G蛋白偶联系统的效应物，在外界刺激下发生磷酸化，继而激活Iκ-B释放基因调节蛋白NF-κB，NF-κB促使炎性细胞因子释放，介导炎症反应。TNFα能够激活单核巨噬细胞、活化NF-κB，启动巨噬细胞的吞噬作用，虽然该作用在炎症初期有利于炎症的消除，但在炎症进展迅速的情况下会进一步加重肝脏炎症反应，这些炎症因子诱发了早期的炎症反应(图 1)。TLR4作为一种病原识别受体，能够识别最初胰腺释放的胰酶与各种细胞因子信号，释放炎症反应的初始信号，启动瀑布样级联炎症反应。众所周知，乳酸是人体细胞无氧代谢的产物，在体内过量堆积对人体造成不良影响，近年来有研究[24]发现，乳酸与特定受体结合后能够显著降低TNFα、IL-6等炎性因子的水平，有效减轻各种炎症性肝病的肝损伤程度，在急性胰腺炎过程中，乳酸能够与Kupffer细胞中的G-蛋白偶合受体81(Gi-protein-coupled receptor 81, GPR81)结合，降低NLRP-3炎性小体的表达，抑制半胱氨酸天冬氨酸转移酶1(caspase-1)的活性，在一定程度上减轻急性胰腺炎大鼠的肝炎症性损伤程度[25]。NLRP-3炎性小体是TLR4重要的下游信号分子，能够介导caspase-1激活IL-1β、IL-18等炎症因子，促进炎症因子的成熟，引起肝脏的炎症反应(图 1)。大量的动物实验研究证实，NLRP-3炎性小体能够通过加重急性胰腺炎过程中的炎症反应诱导肝损伤以加重SIRS和CARS[26]。肝细胞高迁移率族蛋白1(hepatocyte high mobility group protein 1, HMGB1)是全身炎症过程中出现最晚、持续时间最长的晚期炎症介质，与TAR4结合激活P38和NF-κB，激活的P38-MAPK和NF-κB可促进MIF的释放，进而阻止巨噬细胞往细胞损伤部位移动，炎症反应持续进展，进一步加重肝损伤[18](图 1)。
图 1 急性胰腺炎肝损伤中炎症反应分子机制注：AcCoA，乙酰辅酶A；ATP，三磷酸腺苷；TAC cycle，三羧酸循环；LA，乳酸。Figure 1. Molecular mechanism of inflammatory response in acute pancreatitis liver injury4. 氧化应激
炎症反应过程中，必定伴随着细胞内部氧化-抗氧化水平的失衡，炎症反应与氧化损伤相互影响。氧化应激反应是指细胞抗氧化系统与氧化系统的失衡，产生过量的ROS不断在细胞内蓄积，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GST)等是氧自由基(oxygen free radical, OFR)的特异性清除酶，急性胰腺炎所产生大量的胰酶、细胞因子进入肝脏，抑制SOD、CAT、GST的活性，正常的氧化反应受损，损伤肝细胞呼吸链，使细胞处于缺氧状态，能量代谢发生障碍，使无害的氧转变为有害的OFR。随着OFR在细胞内的过量积累，打破细胞的稳态系统后破坏细胞膜、线粒体，使细胞失去能量支撑，最终走向自溶。同时OFR还能够损伤血管壁，发生漏血、渗液，导致水肿与出血。但在急性胰腺炎过程中胰腺释放的各种炎症介质使线粒体处于持续的高负荷状态，损伤线粒体呼吸链。线粒体功能障碍ROS过量蓄积在急性胰腺炎肝损伤的发生、发展过程中起着至关重要的作用[27]。线粒体功能障碍使MAPK及AKT活性受到抑制，无法产生维持细胞生命活动的足够ATP，加重ROS的过度蓄积[28]。过量产生的ROS与胰腺释放的促炎细胞因子经门静脉系统进入肝脏，激活肝细胞凋亡信号调节激酶1(apoptosis signal regulated kinase 1, ASK1)、应激状态下活化JNK，促使P38-MAPK磷酸化，启动肝细胞凋亡程序[28]，同时诱导肝细胞产生大量如IL-1β、IL-6、TNFα等炎性细胞因子，加重肝脏炎症损伤[29]。氧应激诱导型血红素加氧酶-1(oxygen stress inducible heme oxygenase-1, HO-1)是一种机体保护性抗氧化酶，在应激状态下，能通过抑制IL-10、TNFα等细胞因子而有效调节全身炎症反应，从而减轻胰腺炎过程中肝脏的损伤[30]。核因子E2相关因子2(subcellular localization of nuclear factor E2-related factor 2, Nrf2)是细胞氧化应激反应中的关键因子，也是下游抗氧化基因表达的主要调节因子，在氧化应激过程中内源性Nrf2-ARE(抗氧化反应元件)途径被激活，从而增加HO-1的活性(图 2)，对肝细胞具有一定的保护作用，但是当损伤超过了内源性Nrf2-ARE的抗氧化能力时，这种保护作用将失效[31]。
图 2 急性胰腺炎肝损伤中氧化应激分子机制Figure 2. Molecular mechanism of oxidative stress in acute pancreatitis liver injury5. 微循环障碍
血管是细胞因子运输的重要通道，大量的细胞因子极易引起内皮细胞的氧化应激及炎症反应，继而导致破坏内皮细胞的完整性等相关问题，引起肝脏微循环障碍。血浆内皮素(endothelin, ET)和一氧化氮(nitric oxide, NO)是参与胰腺炎肝损伤微循环障碍的重要因子，生理状态下ET、NO处于动态平衡中，维持胰腺、肝脏血流和灌注的正常状态[32]。肝脏拥有人体最丰富的血液供应系统，血管上有丰富的ET受体，进入肝脏的胰酶、细胞因子促进ET原转录和ET的释放，ET与血管上的ET受体结合，激活第二信使环磷酸鸟苷(guanosine cyclic phosphate, cGMP)途径，细胞内Ca2+增高。细胞内过量的Ca2+会导致ATP产生减少和高电导线粒体通透性转换孔道的持续打开，诱导细胞凋亡；Ca2+通过刺激磷酸甘油酯和α-酮戊二酸脱氢酶等催化酶可以直接促进线粒体活性氧(reactive oxygen species mitochondrion, mROS)的形成，也可以通过促进一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)活化，形成NO，阻断复合物Ⅳ，导致mROS过度形成，造成细胞的过氧化损伤[33]。基质金属蛋白酶是一种胶原蛋白水解酶，参与毛细血管基底膜的降解，与ROS发挥双重损伤作用，导致毛细血管通透性进一步增加，毛细血管渗出、水肿[34]。在急性胰腺炎时ET与NO的比值升高，使ET的缩血管作用占优势，微血管的收缩、痉挛使内皮细胞出现缺血性损伤；内皮细胞黏附分子表达增加，使白细胞向内皮细胞黏附，白细胞与内皮之间相互作用导致静脉回流受阻，循环血流减慢，胰腺与肝脏微循环障碍[35]。有研究[36]证实，急性胰腺炎的动物模型应用肝素后，其血液循环障碍以及炎症反应、组织损伤各项指标均得到了改善。肝素能够降低肝脏静脉回流阻力，通过改善微循环障碍来减轻肝细胞的损伤。有研究[37]证实，G蛋白偶联胆汁酸受体(G protein coupled bile acid receptor, GPBAR1)能通过参与肝细胞NF-κB、AKT、ERK等信号通路调节微循环。GPBAR1通过抑制NLRP-3炎症小体的活化途径降低血清淀粉酶、脂肪酶的水平，降低IL-1β、IL-6、TNFα等细胞因子和受体相互作用蛋白-3、磷酸化的混合系激酶区域样蛋白(phospho-mixed-lineage kinase domain-like protein, p-MLKL)坏死相关蛋白的表达水平。但是在急性胰腺炎过程中，GPBAR1对机体的保护作用受到过量细胞因子及胰酶等刺激因子的抑制，放大损伤因子对肝细胞的损伤[38]。
6. 肠道菌群移位
近年来肠道微生物在各种疾病中的作用受到人们的重视，急性胰腺炎过程中胰腺释放的各种损伤因子的刺激打破肠道的稳态平衡，使肠道有害菌群沿着“肠肝循环”移位至肝脏，对肝脏造成“二次打击”，肝损伤进一步加重。人类的胃肠道中定植着含量丰富的微生物，由超过1014种微生物和超过500万个基因组成一个丰富的微生物群落，被称为肠道菌群。肠道菌群通过影响新陈代谢、调节黏膜免疫系统、促进消化以及调节肠道结构等在人体生理活动中发挥着重要作用。急性胰腺炎过程中多伴有肠道菌群失衡，有害菌群过度生长、肠道黏膜屏障受损和细菌移位到外周器官导致胰腺炎不断进展[39]。人体肠道中一些革兰阴性细菌可以产生毒素脂多糖。益生菌是一种革兰阳性杆状厌氧菌，可以将人体肠道中未消化的膳食碳水化合物发酵为短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)，尤其是丁酸[40]。丁酸、丁酸盐等有益菌种下降使紧密连接蛋白与SCFA水平下降，人肠黏膜通透性增高、肠黏膜屏障功能障碍，导致肠道内致病菌通过损伤的肠黏膜释放入血，经门静脉回流系统及肠肝毛细血管网汇聚于肝脏[41]，引起肝脏感染，其分子机制可能是肠道内致病菌诱导NLRP-3炎症小体活化加重炎症反应，通过P38-MAPK信号通路增加肝细胞凋亡。在急性胰腺炎过程中常伴随肠道菌群多样性的改变，IL-22作为肠道上皮内稳态关键调节器在急性胰腺炎因肠道菌群移位导致多脏器损伤的过程中发挥着正向调节作用[42]。IL-22能够通过激活STAT3信号通路增加Reg-Ⅲβ、Reg-Ⅲγ、Bcl-2、Bcl-xL等保护性基因的表达，在一定程度上减轻肠黏膜屏障的损伤，减少脂多糖释放入血，在一定程度上减轻了急性胰腺炎过程中的肠源性肝损伤[43]。
7. 总结
在急性胰腺炎过程中，肝脏作为最先受到细胞因子攻击的脏器，肝损伤可作为急性胰腺炎多脏器损伤开始的标志，急性胰腺炎肝损伤的预后在一定程度上也反映了胰腺炎的病情走向，目前急性胰腺炎肝损伤的机制尚不明确，虽然本文分为6个方面对急性胰腺炎肝损伤机制进行阐述，但这6个方面并非独自作用于疾病进程，而是相互联系，相互交织，共同推动疾病进展。基于目前研究现状，临床上应重视肝脏、肠道与胰腺的整体性，在急性胰腺炎的基础用药方面，将改善微循环制剂与调节肠道菌群制剂合用于急性胰腺炎的治疗中，也许有利于阻断急性胰腺炎肝损伤及其他脏器损伤的通路，逆转疾病进程。
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注：AcCoA，乙酰辅酶A；ATP，三磷酸腺苷；TAC cycle，三羧酸循环；LA，乳酸。
图 1 急性胰腺炎肝损伤中炎症反应分子机制
Figure 1. Molecular mechanism of inflammatory response in acute pancreatitis liver injury
图 2 急性胰腺炎肝损伤中氧化应激分子机制
Figure 2. Molecular mechanism of oxidative stress in acute pancreatitis liver injury
表 1 急性胰腺炎过程中细胞因子对肝脏的作用
Table 1. Effect of cytokines on liver during acute pancreatitis
细胞因子 对肝脏的作用机制 IL-17 促进Kupffer细胞极化为M1巨噬细胞，加重肝脏的炎症反应[9]，IL-17可增强炎症反应过程中ERK的活性，诱导、加重肝损伤[10] IL-18 激活MAPK和PI3K/AKT信号通路诱导大量细胞因子产生，加重肝脏炎症损伤[11]。同时，还能够刺激IFNγ的产生，并增强T淋巴细胞和NK细胞的能力 IL-1β 诱导炎性细胞产生IL-6、IL-18、TNFα、ICAM-1、Es及趋化因子等，介导炎症反应、肝细胞凋亡等过程[12] NLRP-3 NLRP-3作为炎症反应的核心环节，其活化有利于半胱天冬酶原-1、IL-1β、IL-18等中下游促炎因子的活化[13]，还能够通过阻碍肝脏炎症反应过程中线粒体自噬来加重肝缺血/再灌注过程中的损伤[14] IL-6 诱导STAT3磷酸化，CXCL1与G蛋白结合后传递损伤部位信息，促使白细胞向损伤部位移动[15]。作为CRP上游的炎症因子参与炎症和免疫反应，IL-6通过其信号转导因子gp130发挥功能，进而激活MAPK，启动JAK/STAT信号通路，促进急性胰腺炎肝损伤的发生[16] TNFα 激活T淋巴细胞，促进IL-1、IL-2、IL-6的分泌，诱发炎症反应，在高浓度时会破坏机体的免疫平衡，在炎症级联反应中起放大作用，释放具有单核细胞抑制作用的蛋白HMGB、HSP，继而激活单核细胞/巨噬细胞表达的TLR，释放细胞因子和趋化因子激活促炎反应[17] MIF 通过激活P38-MAPK和NF-κB信号传导途径促进巨噬细胞分泌IL-1、IL-6、IL-12、TNFα等炎症因子加重急性胰腺炎过程中的肝内胆管损伤和炎症反应[18] MCP-1 趋化单核细胞且激活单核细胞与免疫应答，与肝损伤的严重程度有关，反映肝巨噬细胞活化的程度[19] ICAM-1 参与白细胞和血管内皮细胞的黏附和聚集，使肝脏微血管通透性增加，血管内皮损伤，造成肝脏微循环障碍[20] MIP-2 激活Kupffer细胞释放，趋化和激活中性粒细胞释放多种炎症介质导致肝脏炎性损伤[21] ROS 参与蛋白酪氨酸磷酸化，激活NF-κB、JNK、MAPK、TXNIP/NLRP-3信号通路等炎性通路，下调PPARγ信号，促进炎性因子如IL-1、IL-6、TNFα、iNOS的产生。增加血清AST、ALT、TBil含量，加重肝损伤[22] 注：ERK，细胞外信号调节激酶；MAPK，丝裂原活化蛋白激酶；PI3K/AKT，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B；NK细胞，自然杀伤细胞；ICAM-1，细胞间黏附分子；Es，E-选择素；NLRP-3，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3；STAT3，信号传导与转录激活因子3；CXCL1，趋化因子(CXC基序)配体1；JAK，非受体酪氨酸激酶；CRP，C反应蛋白；gp130，糖蛋白130；HSP，热休克蛋白；TLR，Toll样受体；MCP-1，单核细胞趋化因子1；MIP-2，巨噬细胞炎性蛋白2；ROS，活性氧；JNK，蛋白激酶；TXNIP，硫氧还蛋白互作蛋白；PPARγ，过氧化物酶体增殖物激活受体γ；iNOS，诱导型一氧化氮合酶。 
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