方法論記事

シクロデキストリンNanospongeヒドロゲル中のイブプロフェンカプセル化の輸送特性：プロトンHR-MAS NMR分光研究

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DOI：

10.3791/53769

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2016年8月15日

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1Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering "G. Natta", Politecnico di Milano, 2Università degli studi e-Campus, 3ICRM, CNR - Consiglio Nazionale delle Ricerche, 4Elettra Sincrotrone Trieste, 5Department of Chemistry, University of Torino

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

βシクロデキストリンナノスポンジポリマーネットワーク中にカプセル化イブプロフェンの運動レジメンは、パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMR技術を用いて調べました。合成、精製、薬物負荷、いくつかの観測時間で薬物の平均二乗変位を仕事にするNMRパルスシーケンスとデータ解析の実装が詳細に記載されています。

要約

エチレンジアミンテトラカルボン酸二無水物（EDTA）を有するβシクロデキストリン（β-CD）の化学的架橋は、シクロデキストリンのナノスポンジ（CDNSEDTA）と呼ばれる分岐ポリマーをもたらしました。 4及び1：8 CD-EDTAモル比つの異なる調製物を1で記載されています。対応する架橋されたポリマーは、均質な、無色の、薬物ロードされたヒドロゲルをもたらすイブプロフェンナトリウム塩（IP）の0.27 M水溶液と接触させました。

システムは、高分解能マジック角スピニング（HR-MAS）NMR分光法によって特徴付けられました。パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMRスペクトルは、D、T、異なる観察時間でポリマーゲル内部IPの平均二乗変位（MSD）を決定するために使用しました。 MSD = F（T d）は ：データは、さらに、MSDの時間依存性を研究するために処理しました。提案された方法論は、その異なる拡散体制を特徴付けることが有用です原則的に、溶質は、ハイドロゲルの内部に拡散すなわち正常か異常が発生することがあります。ポリマーの調製および精製、薬物を装填したヒドロゲルの取得、NMR試料調製、HR-MAS NMR分光法によるMSDの測定とMSDの時間依存性を達成するための最終的なデータ処理を含む完全なプロトコルはここで報告し、議論されています。提示された実験は、パラダイムケースを表し、データは、薬物送達のための潜在的な用途のポリマーホスト内に封入されたゲストの輸送特性の特性に革新的なアプローチの観点から議論されています。

概要

非共有結合性相互作用、潜在的な生化学的活性を有する小分子を経由して、封入することが可能なポリマー系の設計および製剤中の関心が高まっています。このような材料が選択的標的への活性成分の輸送でアプリケーションを検索し、これに関連してなどのpHの変化、温度、などの外部刺激の作用時に解放することが期待される、ヒドロゲルは、ナノメディシンのための汎用性と強力な材料であることが判明しました薬物1の制御放出の観点インチ高分子ヒドロゲルの形成は、水素結合の存在下で膨潤することができる三次元ネットワークにつながる鎖のii）の共有結合性架橋のようなI）の物理的、非共有結合性相互作用によって高分子鎖を相互接続することによって達成することができます水溶液またはIII）は、2つの上記の方法2-4の組み合わせ。

三ダイムの特に汎用性クラスシクロデキストリンのナノスポンジ（CDNS）を生じさせる8 -有機と無機化学種のカプセル化のためのnsional、膨潤性ポリマーは、テトラカルボン酸5を適切に、活性化誘導体との縮合を介した自然βシクロデキストリン（β-CD）から出発して得ることができます。 CDNSの合成、特性評価およびアプリケーションは、当社グループの連結研究テーマです。 11および環境化学12 - - 14過去数年の結果は、CDNSは、医薬活性成分の制御放出9中のアプリケーションと、腫れ、化学物質の吸収/含めること、および小薬物分子の放出の魅力的な性質を示すことを示しています。

これらの前提を考えると、二つの大きな問題が懸念ポリマーゲル中の活性化合物とゲルマトリックス15中の溶質の移動性の改善された理解を効率的にロード対処すべきアップ。文献は、高分子ネットワーク16,17の小さな分子の拡散メカニズムに関連する実験研究と理論の両方を提供します。パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMR分光法は広く、溶媒18中の小分子の並進拡散または純粋な液体の自己拡散を研究するために使用される十分に確立された構造的な方法です。高分解能マジック角スピニング（HR-MAS）NMR技術の最近の発展により、異種の懸濁液に19、ゲルおよび膨潤性ポリマー20,21を移動する分子の高分解能NMRのデータを収集しました。実際、HR-MAS NMR分光法とPGSEパルスシーケンスを組み合わせた実験は、ホストの分子環境に溶質分子を観察するユニークな機会を提供します。ゲルマトリックス内に捕捉された薬物分子の輸送特性に重要なデータを得ることができます。高品質の実験データは、このようにobtaiすることができますNEDは、ナノ構造ホスト - ゲストシステムのより合理的な設計を可能にします。

本研究では、以下のステップのための詳細なプロトコルを記述した：i）合成とCDNSの二つの異なる製剤の精製CDNSEDTAと呼ばれる、EDTAポリマー（ 図1）で架橋された、および別のCD /架橋剤のモルによって特徴づけられます比1：4（CDNSEDTA 1：4）と1：8（CDNSEDTA 1：8）。 ⅱ）の両方CDNSEDTA 1のための薬物を装填したヒドロゲルの調製：4とCDNSEDTA 1：8。このステップでは、モデル薬物分子、人気のある非ステロイド系抗炎症イブプロフェンナトリウム塩（IP）のような、使用しました。 ⅲ）CDNSEDTA内のIPの輸送特性の徹底的な調査はPGSE-HRMAS NMR分光法を介してヒドロゲル。ここで提案する方法は、MSDの時間依存性の分析を行ったハイドロゲル内の封入された薬剤の平均二乗変位（MSD）の測定に基づいています。

私たちワットマトリックス中の薬物のMDSの時間依存性に焦点を当てている - - 唯一の薬剤の拡散係数の決意に基づいて連結方法に比べて情報のより広いスペクトルを提供する上で概説した方法論は、ことを強調しっぽいです。我々は最近、このアプローチはCDNSヒドロゲル内に閉じ込められたIPが経験した、正常と異常拡散体制の識別のために許可されたことが21を実証しました。

そこで我々は、ポリマー合成/精製、薬物負荷ヒドロゲルの形成、HR-MAS NMR特性評価およびMDSデータのデータ処理のステップバイステップの説明はのためのナノ構造システムを特徴付けることに興味科学者のための強力なツールキットであると信じています閉じ込めおよび小分子の放出。

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プロトコル

CDNSEDTAポリマーの1の合成

  1. 使用前に4時間、80℃のオーブン中で乾燥したβ-シクロデキストリン（β-CD）。乾燥ジメチルスルホキシドの500ミリリットル（DMSO）およびプロトコルでそれらを使用する前に24時間のためのモレキュラーシーブ（4オングストローム）を超えるトリエチルアミン100ミリリットル（のEt 3 N）。
  2. 50 mlの一首丸底フラスコにDMSO 25ml中に導入します。磁気攪拌の下では、β-CD（5ミリモル）の5.675グラムを追加します。塊の形成を低減するために、DMSOに少量ずつβ-CD粉末を加えます。
  3. 約30分後、10mlのを使用して均一溶液をEt 3 N 6mlのを追加し、ピペットを卒業。 RTで15分間攪拌下、混合物を保管してください。室温で水浴にフラスコをプランジ。
    注：β-CD及びEDTAの間の反応は発熱性です。したがって、水浴にフラスコを急落する反応混合物の過熱を回避する熱交換を促進します。
  4. 5.124グラム（20ミリモル、CDNSEDTの準備を追加します。1：4）または10.248グラム（40ミリモル、CDNSEDTA 1の準備：8）EDTA二無水物の激しい撹拌下。
  5. 3時間後、固体物質を除去（CDNSEDTA 1：4またはCDNSEDTA 1：8）へらを使用し、乳鉢と乳棒を用いて肉眼的にそれをつぶすフラスコから。
  6. 塩酸、0.1M（200ミリリットル×5回）、および脱イオン水（200ミリリットル×3回）で、RT（100ミリリットル×5回）でアセトンでろ紙上に固体材料を洗ってください。
  7. 最後に、室温で空気中で乾燥した全ての固体物質が48時間、乳鉢と乳棒に細かくそれを粉砕した後、45℃で2時間、真空（<15ミリバール）下でそれを保ちます。

figure-protocol-1
図1：CDNSEDTAポリマーの概略図で概略合成経路。左：モノマーβシクロデキストリン（β-CD）と架橋剤EDTA二無水物の分子構造。矢印全体的な反応条件。右：架橋ポリマーのスケッチこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

2. HR-MAS NMR測定

  1. HR-MAS NMRサンプル調製
    1. 重水中のイブプロフェンナトリウム塩（IP）（99.8％）の溶液0.27 Mを準備します。
    2. 2ミリリットルのガラスバイアルに）点2.1.1で調製した溶液の150μlに無水炭酸ナトリウム（Na 2 CO 3）の4及び2mgの：CDNSEDTA 1 20mgを追加します。それを均質化するために、小さなスパチュラでバイアル瓶の内容を混ぜます。この手順で形成されたゲルを使用する前に、2時間待ってください。 8ポリマー：CDNSEDTA 1のため、この点を繰り返します。
    3. 小さなへらを使用してHR-MAS NMR実験に適した5ミリメートルのNMRローターでゲルを挿入します。使用するゲルの総量は、ロータの内部容積に依存する（12μlを推奨します）。
  2. HR-MAS 1 H NMR実験
    1. MAS空気圧制御装置、温度可変ユニットで305 Kでの試料温度で4キロヘルツのローター回転速度：以下の機器パラメータを設定します。
    2. CDNSEDTAにおけるイブプロフェンの1 H HR-MAS NMRスペクトルを取得し（1：4）およびCDNSEDTA（1：8）プロトン共鳴の従来のパルスシーケンスを用いて、ポリマー系。
      1. 新しいデータセットを作成します。 「AcquPars」タブをクリックします。 PULPROGを選択：ZG。
      2. スキャンの数を選択します（NS = 4）およびそれら（D1 = 5秒）.SETスペクトル幅（SW = 8 ppm）で間の時間遅延、時間ドメイン（TD = 16K）と受信機の利得（RG = 32 ）。
      3. コンソールの「ZG」と入力し、画面上に自由誘導減衰（FID）があります。 「ProcPars」タブ上のデータをクリックして処理するには。スペクトルサイズ（SIが32Kを=）、指数関数乗算窓関数（WDW = EM）および線の広がり（LB = 1）を設定します。フーリエ変換を実行するために「フィート」と入力します。画面上の相]タブを使用してスペクトルをフェーズ。高解像度よく分解スペクトルを取得します。

figure-protocol-2
図2：バイポーラパルス対縦渦電流遅延（BPPLED）パルスシーケンス PFGSE実験を行うために使用されるパルスシーケンスの模式図。 90°パルスの位相サイクルがある：P1：（0）16、P2：（0022）4、P3：（0）4（2）4（1）4（3）4、P4：（0202 2020 1313 3131 ）、P5（0）4（2）、4（1）、4（3）4。 180°パルスは、xが+です。 （ref.18から変更） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. HR-MAS 1 H NMR PGSE実験
    注：PGSE実験を図 2に報告BPPLEDパルスシーケンス18を用いて行われます。これは、間接的な次元で100％に2％から直線的に増加勾配傾斜を持つ擬似二次元の実験です。信号強度は、拡散時間Δ勾配パルスδに応じて減衰します。これらのパラメータの最適化が適切にPGSE実験を実行する前に必要とされます。 δを変化させながら最適化は、Δが一定に維持されているいくつかの1次元の測定を実行することによって行われます。
    1. パラメータの最適化
      1. 「AcquPars」タブの実験番号1クリック - 新しいデータセットを作成します。 PULPROGを選択：拡散の最適化のための1Dパルスシーケンスをledbpgp2s1d。
      2. スキャン数（NS = 16）と、それらの間の時間遅延（D1 = 10秒）を選択します。スペクトル幅（SW = 8 ppm）を設定し、トン彼はタイムドメイン（TD = 16K）と受信機の利得（RG = 32）。
      3. 試行値に一定の値とδに等しいΔ（シーケンス中のD20）（P30）を設定します。 （高解像度の楽器のための最大許容値）値Δ= 50ミリ秒、δ= 3ミリ秒を開始します。
      4. 1 H実験からのスペクトル周波数（SFO1）の値を読み、今、この値を使用します。 2％にGPZ6勾配強度を設定します。手順を繰り返し2.2.2.3。最適化のための基準として、このスペクトルを使用してください。
      5. 同じデータセットでは、実験番号2は、すべての実験パラメータを守って作成します。 95％にGPZ6勾配強度を高めます。手順を繰り返し2.2.2.3。デュアルディスプレイのアイコンを使用して、参照スペクトルと、このスペクトルを比較し、信号強度の変化を観察します。
        注：よく弱毒化されたスペクトルは、参照スペクトルと比較して、約5％の残差信号強度を持つ必要があります。信号強度が失われた場合には、δの値と解像度を低下させますδの正しい値が見つかるまでポイント2.3.1.3から2.3.1手順をタルト。
      6. すべての5つのΔ値については、セクション2.3.1にパラメータ最適化手順を繰り返します。
        注：Δ= 50、80、110、140および170ミリ秒のための5つの値を選択し、3に対応するδを最適化し、2.7、2.4、2.1、1.8ミリ秒（CDNSEDTA 1でのIP用：8）および2.7にδする、2.4 、2、1.7、1.4（CDNSEDTA 1内でのIP用：4）。
    2. 2D拡散データセットの取得
      1. 同じデータセットでは実験番号3を作成し、すべての1D実験パラメータがロードされます。 「EDA」と入力します。 PULPROGを選択：2Dパルスシーケンスをledbpgp2sおよび2Dにparmodeを変更。
      2. FnMODE = QFを設定します。 32に等しいF2次元の時間領域TD、勾配ステップ数を設定します。他のすべてのパラメータが正しく設定されています。 「DOSY」と入力し、勾配のランプが生成され、ファイルに格納されます。 ST芸術とランプ（2から95）の最終値は、入力パラメータとして与えられています。買収は今開始されます。
  2. 情報処理
    1. F2の次元でフーリエ変換を実行するために「XF2」と入力します。 F2の次元でベースライン補正を行う「ABS2」と入力します。次の処理ステップのための実験パラメータ（Δ、δ、および勾配リスト）をリコールする「setdiffparm」と入力します。
    2. 分析]タブで、「T1 / T2緩和モジュール」をクリックして、2D実験の第1のスペクトルを使用して嵌合するピークを定義します。ピーク範囲を定義し、フィッティングを実行します。各適用勾配ステップで信号強度が得られます。
      注：I（Q、T d）は、それぞれのΔ値に対して、実験変数に依存する信号強度：に応じて印加されるパルス提出された勾配（G）、時間変数（δ）、磁気回転比（γ）のq =（γgδ） FOllowing方程式：
      figure-protocol-3
      分子MSD = zの2を持ちます。
    3. スプレッドシート内の信号強度をエクスポートし、各観察拡散時間t dのためのz 2 ​​の値を取得するには、データの線形フィットを実行します。
      注：MSD値に応じて、観測時間t dに関連しています。 figure-protocol-4
    4. 各実験トンd値のt D対zの2の対数プロットを実行します。指数αの値は、線形回帰の傾きです。上記に報告方程式の物理的な側面のより徹底的な議論は、参考文献に記載されています。 21およびその中の参考文献インチ
      注：指数αの値に応じて、拡散体制は次のように定義される：α= 1 iについて）等方性無制限の拡散、ii）の異常subdiffusivα> 1の場合は0 <α<1、iii）の異常superdiffusive政権の電子体制。

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結果

まず、このアプローチの実行可能性を確認するために、水溶液中に溶解したIP薬物分子にこの方法を適用しました。代表的な結果の完全な説明は、参考文献に記載されています。 21.むしろ、我々は方法論的側面 ​​とデータ収集とデータ分析にナットアンドボルトアプローチにここに焦点を当てます。3に示す図 、片対数スケールで、正規化された実験的な信号は、I（Q、T d）は減衰します/ I（0、T d）は、Q 2の関数として（セクション2.4によります）。 表1では、各拡散時間Δのための観測されたMSD値を報告しています。 トンさd対Z 2（ 図3）のlog-logプロットは、R（セクション2.4による）2 = 0.999と回線を提供します。 IPのために得られたスケーリング指数α= 1は、...

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ディスカッション

我々はCDNSEDTAヒドロゲルの2つの代表的な製剤内にカプセル化小薬物分子の拡散体制を決定するために実験的な方法論を提示します。 HR-MAS PGSE NMRは、その後、マイクロメートルスケールでの距離を監視し、（第2までの数ミリ秒の範囲内で）与えられた拡散時間に小分子の平均二乗変位の決意を可能にします。動きの一つのタイプは、各研究システムで観察される - （170ミリ秒50）の範囲で観察しました。より長い観測時間に異なる拡散レジーム間の遷移22を観察することができることが、強調されるべきです。したがって、ここで報告された結果は、実験のために、私たちの処分で計測器で利用可能なハードウェアによって決定される時間スケールと呼ばれています。

各この作業の手順について - ポリマー合成、ハイドロゲルローディング、HR-MAS NMRデータの収集と処理、ここでは三つの主要な問題の一覧しますDに対応するソリューションを提供します。

精製
1.6 DMSO、のEt ...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

著者は、資金提供のためにPRIN 2010-2011 NANOMED prot. 2010 FPTBSHおよびPRIN 2010-2011 PROxy prot. 2010PFLRJR_005に感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
HR-MASプローブブルカーN/A半固体サンプルのNMR測定用プローブ
NMR分光計BRUKERDRX 500FT 液体および半ソリス状態用NMR分光計
β;-シクロデキストリン (β-CD)アルファ-エーザーJ63161試薬
エチレンジアミンテトレーセティック (EDTA) 二無水物Sigma-Aldrich332046試薬
ジメチルスルホキシド (DMSO)Alfa-AesarD0798溶剤
トリエチルアミンSigma-Aldrich471283塩基 (試薬)
イブプロフェン (IP) サジウム塩Sigma-AldrichI1892炎症鎮薬
Excel 2010MicrosoftN/Aspeadsheet for data analysis
Origin 8 SR0OriginLab Co.データ分析のためのspeadsheet
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参考文献

  1. Sharpe, L. A., Daily, A. M., Horava, S. D., Peppas, N. A. Therapeutic applications of hydrogels in oral drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv. 11, 901-915 (2014).
  2. Hennik, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv. Drug Deliv. Rev. 54, 13-36 (2002).
  3. Yu, L., Ding, J. D. Injectable hydrogels as unique biomedical materials. Chem. Soc. Rev. 37, 1473-1481 (2008).
  4. Ma, M., Kuang, Y., Gao, Y., Zhang, Y., Gao, P., Xu, B. Aromatic-Aromatic Interactions Induce the Self-Assembly of Pentapeptidic Derivatives in Water To Form Nanofibers and Supramolecular Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 132, 2719-2728 (2010).
  5. Trotta, F., Tumiatti, W. Patent WO. , 03/085002 (2003).
  6. Trotta, F., Tumiatti, W., Cavalli, R., Zerbinati, O., Roggero, C. M., Vallero, R. Ultrasound-assisted synthesis of cyclodextrinbased nanosponges. Patent WO. , 06/002814 (2006).
  7. Trotta, F., Cavalli, R. Characterization and applications of new hyper-cross-linked cyclodextrins. Compos. Interface. 16, 39-48 (2009).
  8. Cavalli, R., Trotta, F., Tumiatti, W. Cyclodextrin-based nanosponges for drug delivery. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 56, 209-213 (2006).
  9. Trotta, F., et al. Cyclodextrin-based nanosponges as a vehicle for antitumoral drugs. Patent WO. , 09/003656 (2009).
  10. Vyas, A., Shailendra, S., Swarnlata, S. Cyclodextrin based novel drug delivery systems. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 62, 23-42 (2008).
  11. Swaminathan, S., Vavia, P. R., Trotta, F., Torne, S. Formulation of beta-cyclodextrin based nanosponges of itraconazole. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 57, 89-94 (2007).
  12. Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Gericke, G., Sithole, S. P. Cyclodextrin nanosponges in the removal of organic matter to produce water for power generation. Water SA. 34, 657-660 (2008).
  13. Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Nxumalo, E. N. Monofunctionalized cyclodextrin polymers for the removal of organic pollutants from water. Environ.Chem. Lett. 5, 79-84 (2007).
  14. Mhlanga, S. D., Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J. Removal of organic contaminants from water using nanosponge cyclodextrin polyurethanes. J. Chem. Technol. Biot. 82, 382-388 (2007).
  15. Lehmann, S., Seiffert, S., Richtering, W. Spatially Resolved Tracer Diffusion in Complex Responsive Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 134, 15963-15969 (2012).
  16. Ferrer, G. G., Pradas, M. M., Ribelles, J. L. G., Colomer, F. R., Castilla-Cortazar, I., Vidaurre, A. Influence of the nature of the porous confining network on the sorption, diffusion and mechanical properties of hydrogel IPNs. Eur. Polym. J. 46, 774-782 (2010).
  17. Santoro, M., Marchetti, P., Rossi, F., Perale, G., Castiglione, F., Mele, A., Masi, M. Smart approach to evaluate drug diffusivity in injectable agar-carbomer hydrogels for drug delivery. J. Phys. Chem B. 115, 2503-2510 (2011).
  18. Johnson, C. S. Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectroscopy. 34, 203-256 (1999).
  19. Viel, S., Ziarelli, F., Caldarelli, S. Enhanced diffusion-edited NMR spectroscopy of mixtures using chromatographic stationary phases. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 9696-9698 (2003).
  20. Alam, T. M., Hibbs, R. M. Characterization of heterogeneous solvent diffusion environments in anion exchange membranes. Macromolecules. 47, 1073-1084 (2014).
  21. Ferro, M., Castiglione, F., Punta, C., Melone, L., Panzeri, W., Rossi, B., Trotta, F., Mele, A. Anomalous diffusion of Ibuprofen in cyclodextrin nanosponges hydrogels: an HR-MAS NMR study. Beilstein J. Org. Chem. 10, 2715-2723 (2014).
  22. Wolf, G., Kleinpeter, E. Pulsed Field Gradient NMR Study of Anomalous Diffusion in a Lecithin-Based Microemulsion. Langmuir. 21, 6742-6752 (2005).
  23. Rossi, F., Castiglione, F., Ferro, M., Marchini, P., Mauri, E., Moioli, M., Mele, A., Masi, M. Drug-Polymer interactions in hydrogel-based drug-delivery systems: an experimental and theoretical study. Chem. Phys. Chem. , (2015).

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