Inhibiteurs de mTOR : de la transplantation à l'oncologie (Revue de la littérature du Comité de Transplantation - AFU 2006)

05 octobre 2007

Mots clés : immunologie, Cancer, Transplantation, inhibiteur de mTOR.
Auteurs : NEUZILLET Y., KARAM G., LECHEVALLIER E., KLEINCLAUSS F.
Référence : Prog Urol, 2007, 17, 928-934
L'histoire des inhibiteurs de mTOR a débuté il y a environ 30 ans par la découverte de la rapamycine, macrolide issu d'un micro-organisme téllurique Streptomices hygroscopicus et doté de propriétés antibiotiques, immunosuppressives et antiproliférative.
Prévu initialement pour être un antibiotique, la compréhension de plus en plus précise du mode d'action de cette classe médicamenteuse a rationalisé et validé son emploi dans le domaine de la transplantation et de l'oncologie. Dans ces deux domaines, où l'urologue est partie prenante, de nombreuses études cliniques sur les inhibiteurs de mTOR ont été menées.
Cette mise au point synthétise les connaissances actuelles sur le mécanisme d'action et les utilisations cliniques des inhibiteurs de mTOR en transplantation rénale et en oncologie.

En 1975, dans le cadre d'un programme de recherche de nouveaux antibiotiques des laboratoires pharmaceutiques Ayerst, Venisa a isolé à partir de streptomyces hygroscopicus, une bactérie tellurique de l'Ile de Paques, une molécule de la famille des lactones macrocyclique possédant une activité antibiotique. Le nom polynésien de l'Ile de Pâques étant Rapa Nui, ils nommèrent leur découverte rapamycine. Les propriétés antibiotiques de la rapamycine étaient en fait modeste in vitro, hormis une activité antifongique sur le candida albicans. En raison de son activité antimicrobienne faible, le projet fut officiellement abandonné par les laboratoires Ayerst. Seul Seghal convaincu des propriétés immunosuppressive de cette molécule poursuivra son étude. Ainsi, en l'administrant à des rats, Martel a montré que cette molécule était capable d'inhiber la réponse immunitaire. En 1983, Houchens, en démontrant que la rapamycine pouvait inhiber la croissance de xénotransplanstation de tumeur cérébrale humaine a publié la première description de l'effet antitumoral de la rapamycine. En 1989 les premiers résultats de l'utilisation de la rapamycine comme immunosuppresseur dans des modèles expérimentaux d'allotransplantations chez l'animal ont été rapportés par Calne dans le Lancet [1]. La première administration chez l'homme interviendra en 1991 chez un receveur d'une allotransplantation rénale.

Cependant à cette époque, le mécanisme d'action de la rapamycine n'était pas encore clairement défini. Les équipes de recherche ont montré que la rapamycine partageait la même molécule de liaison que le tacrolimus mais que leurs propriétés immunosuppressives étaient différentes, sous-entendant que les complexes ainsi formés n'interagissent pas avec les mêmes cibles Au début des années 90 la FKBP12, immunophiline de liaison commune au FK506 et à la rapamycine a été séquencée et son gène identifié [2]. L'effet du complexe FKBP12-rapamycine au sein de la cellule a été précisé par Morice et par Jamaraman en 1993 [3] mais l'élucidation du mode d'action de la rapamycine n'a été présenté par Wiederrecht qu'en 1995 avec la découverte de la protéine cible de la rapamycine : mTOR ou mammalian Target Of Rapamycin [4].

Le but de cette mise au point est d'exposer de façon synthétique le mode d'action des inhibiteurs de mTOR puis, à la lumière de ces connaissances, leurs développements cliniques en transplantation rénale et en oncologie.

Mode d'action des inhibiteurs de mTOR

La protéine mTOR est une sérine-thréonine kinase c'est-à-dire qu'elle catalyse, lorsqu'elle est activée, la phosphorylation de deux acides aminés sérine et thréonine sur des protéines cibles intra-cellulaires. L'activation de mTOR se fait par sa phosphorylation :

- Soit à partir de l'activation d'un récepteur de facteur de croissance (par exemple le récepteur CD25 à l'IL-2) entraïnant une cascade de phosphorylation par la voie de la phosphoinositide 3-kinase (PI-3K) et Akt. Cette voie est physiologiquement régulée par la phosphatase "Phosphatase and Tensin Homologue deleted on chromosome Ten" (PTEN).

- Soit par les kinases dépendant de l'AMP (AMPK) dont l'activation dépend du ratio des concentrations intra-cellulaires en AMP et ATP. Cette voie est physiologiquement interrompue lors de stress cellulaire ou de dépression en nutriment (acides aminés) car ces situations aboutissent à une accumulation d'AMP intra-cellulaire.

- Soit par les acides aminés, via une interaction avec le complexe "Tuberous Sclerosis Complex" (TSC) dont les mécanismes ne sont pas entièrement déterminés.

Une fois activée, mTOR phosphoryle :

La p34cdc2, dont la phosphorylation permet sa liaison à la cycline E, sa migration intranucléaire et ainsi la protéolyse de p27 qui est une protéine frénatrice du cycle cellulaire. Elle inhibe la progression du cycle de la phase G1 à S par une action inhibitrice sur les "cyclin-dependent protein kinase" (cdk) , nécessaire au passage en phase S) et sur l'eIF-4E, inhibiteur de l'apoptose et régulateur de la traduction de l'ARN messager en protéines, dont celles nécessaire à la progression du cycle cellulaire.

La p7056k, sérine-thréonine kinase qui phosphoryle la protéine ribosomale 40S S6. Le recrutement de S6 ainsi provoqué permet la traduction des ARN messagers en protéines.

Au total l'activation de mTOR aboutit à la progression du cycle cellulaire de la phase G1 à S et donc à la prolifération cellulaire.

La rapamycine une fois liée au FKBP12 est un inhibiteur de la mTOR. Elle interrompt donc la transduction des signaux mitogènes par l'inhibition des cyclines nécessaires au passage de la phase G1 à S et par l'inhibition de la synthèse des protéines nécessaires à la progression du cycle cellulaire. L'inhibition de mTOR aboutit donc au blocage du cycle cellulaire en phase G1 (Figure 1)

Applications

Dans le cas du lymphocyte T CD4, principal acteur de la réponse immunitaire, ces données s'intègrent dans le modèle des 3 signaux de la réponse alloimmune (Figure 2). Selon ce modèle, le premier signal naït de la reconnaissance spécifique du peptide associé à un antigène du complexe majeur d'histocompatibilité (HLA), présenté par une cellule présentatrice d'antigène, par le récepteur du lymphocyte T (TCR). Ce signal aboutit à la production d'interleukine 2 (IL-2) via une cascade de phosphorylation générée par CD3 et recrutant les protéines ZAP70 et PLC, à l'augmentation de la concentration intra-cellulaire en calcium, à l'activation de la calcineurine et ainsi à la translocation nucléaire de facteur de transcription. Le second signal, ou signal de co-stimulation nécessaire pour activer le lymphocyte, correspond à des interactions moléculaires de surface entre la cellule présentatrice d'antigène et le lymphocyte T. Ce second signal n'est pas spécifique de l'antigène et fait notamment intervenir des voies de la superfamille des Immunoglobulines et des voies de la famille du TNF/TNF-R. Ces deux signaux aboutissent à la synthèse autocrine ou paracrine d'interleukine 2 (IL-2). Le troisième signal correspond à la fixation de l'IL-2 sur son récepteur. Le récepteur à l'IL-2, comprenant la molécule CD25, n'est présent qu'à la surface des lymphocytes activés. Il provoque une cascade de phosphorylation recrutant les protéines PI-3K et Akt puis mTOR et aboutit donc à la prolifération lymphocytaire.

Les inhibiteurs de mTOR bloquent donc spécifiquement le 3e signal. Ils agissent uniquement sur les lymphocytes T activés. Ils n'inhibent pas le premier signal (contrairement aux inhibiteurs de la calcineurine) qui entre en jeu dans le mécanisme d'induction de tolérance immune.

Les cellules malignes peuvent présenter des mutations des gènes de PTEN, PI-3K, Akt ou AMPK, aboutissant à l'activation dérégulée de mTOR et ainsi à une prolifération cellulaire.

Les inhibiteurs de mTOR permettent dans ces cas d'interrompre la transmission du signal anormal.

La connaissance du mode d'action de la rapamycine et notamment ses ligands FKBP12 et mTOR, a permis le développement de nouveaux inhibiteurs de mTOR aux caractéristiques pharmacocinétiques et pharmacodynamiques optimisées et la découverte de nouvelles molécules aux noms parfois prédisposés tel raptor, rictor etc... L'everolimus (RAD001) et le temsirolimus (CCI-779) ont ainsi été développés et testés dans des essais cliniques.

Figure 1 : Mode d'action des inhibiteurs de mTOR.
Figure 2 : Modèle de la réponse immune entre un lymphocyte T4 et une cellule présentatrice d'antigène et implication des inhibiteurs de mTOR.

Developpement en transplantation renale

L'utilisation de la rapamycine dans des modèles animaux a permis de montrer une efficacité dans la prévention du rejet d'allotransplantation [5] au prix de peu d'effets secondaires, notamment néphrotoxiques [6]. Les travaux de Schuurman [7] et Stepkowski [8] ont montré l'effet synergique de l'association des inhibiteurs de mTOR et des inhibiteurs de calcineurine. Les premiers essais cliniques utilisant la rapamycine en tant qu'immunosuppresseur ont débuté en 1991 et en 1999 la "Food and Drug Administration" a approuvé l'utilisation de la rapamycine en association avec la ciclosporine et les corticoides en prévention du rejet après transplantation rénale. En 2001, l'utilisation de la rapamycine en traitement d'entretien après transplantation rénale est autorisée en cas de contre indication à la ciclosporine.

On retrouve dans la littérature 33 essais cliniques randomisés rapportés dans 142 articles ou communications (soit 7114 patients transplantés rénaux) analysant quatre grandes stratégies d'utilisation de la rapamycine [9] en transplantation rénale:

La rapamycine remplace les anticalcineurines

Huit essais cliniques recensant 750 patients au total avec un recul moyen de 2 ans ont été publiés [9]. Le remplacement des anticalcineurines par la rapamycine n'a modifié ni la mortalité des patients ni la perte de greffon par rejet aigu. En revanche, il a permis une amélioration de la fonction rénale (créatininémie et taux de reprise retardé de fonction rénale inférieurs) au prix cependant d'effets secondaires parfois important d'ordre hématologique (risque relatif d'anémie, de thrombopénie et de leucopénie respectivement égal à 2, 7 et 2), et d'ordre lipidique (risque relatif d'hypertriglycéridémie égal à 2). Le risque de lymphocèle a été triplé sous rapamycine. Il n'y a pas eu de modification du taux de cancer post-transplantation sous rapamycine dans les essais ayant analysé cette variable.

La rapamycine remplace les anti-métabolites, l'azathioprine (AZA) en particulier, en association avec les anticalcineurines

Onze essais cliniques recensant 3966 patients au total ont été publiés [9]. Le remplacement des antimétabolites par la rapamycine a permis une diminution de l'incidence du rejet aigu sans modification de la survie des greffons, ni de la mortalité des patients mais avec une dégradation de la fonction rénale et l'apparition d'effets secondaires hématologiques (risque relatif de 2 sous rapamycine) et lipidiques (risque relatif de 2 sous rapamycine). Le risque de lymphocèle a été triplé chez les patients recevant de la rapamycine. En revanche les infections à CMV ont été moins fréquentes sous rapamycine.

La rapamycine à des doses variables est associée aux anticalcineurines sans anti-métabolites

Huit essais cliniques recensant 3175 patients au total ont été publiés [9]. Ces études ont comparé de faibles doses à de hautes doses de rapamycine en association avec un inhibiteur de la calcineurine. La mortalité des patients et la survie des greffons à deux ans n'étaient pas différentes. En revanche, les hautes doses de rapamycine ont diminué l'incidence des rejets aigus et des reprises retardées de la fonction rénale mais avec une augmentation de fréquence de l'hypercholestérolémie. Il n'y a pas eu de différence quant à la survenue de cancers post-transplantation.

La rapamycine à des doses variables est utilisée avec des anticalcineurines à doses variables

Huit essais cliniques recensant 1178 patients au total ont été publiés [9]. Les résultats de faibles doses de rapamycine associées à des anticalcineurines à doses habituelles ont été comparés à ceux de hautes doses de rapamycine associées à des anticalcineurines à faibles doses. Les différentes associations ont abouti à des résultats similaires. Une diminution des rejets aigus, sans effet sur la perte des greffons, a été observée avec une altération de la fonction rénale et l'apparition d'effets secondaires hématologiques et lipidiques lors de l'utilisation de rapamycine à fortes doses.

Parmi les nouveaux inhibiteurs de mTOR, l'everolimus est le seul à avoir été étudié dans des essais thérapeutiques en transplantation rénale. Un seul essai de petite taille a comparé le sirolimus à l'everolimus en association avec un anticalcineurine et des corticoides. L'analyse a portée sur 30 patients. Les résultats à 3 mois ont montré une amélioration de la créatininémie et des taux de reprise retardée de la fonction du greffon mais avec une incidence plus élevée des troubles lipidiques chez les patients traités par everolimus [9]. L'everolimus utilisé à la place du mycophenolate mofetil a permis une diminution de l'incidence des infections à CMV [9].

Un nouveau bénéfice à l'utilisation des inhibiteurs de mTOR pourrait être envisagé. En effet, l'étude rétrospective de 33249 patients du registre américain de l'United Network for Organ Sharing (UNOS) par Kauffman a montré une réduction du risque de cancer post-transplantation en cas de traitement immunosuppresseur d'entretien par inhibiteur de mTOR [10] avec en particulier une incidence de cancer solide de 0% chez les patients recevant un inhibiteur de mTOR. Le bénéfice en termes de réduction du risque néoplasique post-transplantation pourrait faire pencher la balance en faveur de l'emploi des inhibiteurs de mTOR en transplantation rénale, en particulier chez les patients transplantés à risque ou avec des antécédents de néoplasie.

Au total l'utilisation des inhibiteurs de mTOR a montré un effet intéressant sur la survenue du rejet aigu et la fonction rénale sans cependant améliorer la survie des greffons et au prix d'effets secondaires parfois majeurs. En plus, les résultats et les effets secondaires à long terme de l'utilisation de la rapamycine sont encore inconnus et méritent d'être mieux analysés.

Developpement en oncologie

L'étude pré clinique d'Edinger a permis de mettre en évidence une activité anti-tumorale des inhibiteurs du mTOR mais à des degrés divers : Certaines cellules ont été détruites par de faibles doses, de l'ordre du nanogramme, tandis que d'autres ont nécessité des doses beaucoup plus importantes. Un troisième groupe de cellules était non-répondant [11]. Dans le domaine de l'urologie, l'efficacité des inhibiteurs du mTOR dans le cancer du rein et de la prostate a fait l'objet de plusieurs travaux de recherche.

Cancer du rein

La néo-angiogénèse est un mécanisme important dans le développement du cancer du rein chez l'homme. Elle dépend en partie de l'expression d'un facteur d'hypoxie Hypoxia Inducible Factor (HIF). Trois arguments vont dans le sens d'un rôle important de mTOR en tant qu'élément participant à la transduction du signal pro-mitogène :

Les protéines mTOR et PI3K sont indispensables pour l'activité du Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) sur la prolifération, la survie et la migration des cellules endothéliales [12]. Le blocage de cette voie d'activation empêcherait le VEGF d'exercer son action et empêcherait par conséquent la prolifération cellulaire.

La protéine mTOR régule l'activité du HIF [13] dont dépend la néo-angiogénèse. Les inhibiteurs de mTOR en diminuant l'expression du HIF, agissent sur l'angiogénèse tumorale.

Des signes directs d'activation augmentée de la voie Akt/mTOR/p70S6 ont été mis en évidence dans les cancers du rein [14].

La rapamycine a été testée sur des tumeurs jugées mTOR dépendantes à cause de la perte du PTEN qui sous-régule l'activité mTOR/AKT [15]. Les études de phase I ont démontré la supériorité d'une administration intermittente hebdomadaire sur l'administration quotidienne lorsque le temsirolimus était administré par voie intraveineuse [16].

En phase II, Atkins a montré la bonne tolérance du temsirolimus chez 111 patients ayant un carcinome à cellules rénales avancé et réfractaire à l'immunothérapie et ont rapporté 7% de réponse objectives et 26% de réponses mineures [17]. D'autres essais de phase II utilisant l'everolimus sont en cours. En phase III, Hudes a rapporté une augmentation de 3 mois de la survie globale dans le groupe des patients traités par temsirolimus par rapport au groupe traité par interféron alpha [18]. Les 626 patients de cette étude avaient un cancer du rein avec une progression locale et/ou métastatique avec des critère de "mauvais pronostic" selon la classification de Motzer.

Cancer de la prostate

L'acquisition de l'hormono-indépendance par les cellules carcinomateuses prostatiques a été imputée à la mutation ou à la surexpression du gène codant pour le récepteur aux androgènes [19]. L'activation de ce récepteur dépend entre autres de certains facteurs tel l'IGF-1, epidermal growth factor (EGF) et de la voie mTOR/PI3K/Akt. Les mécanismes d'action de la voie mTOR sont encore mal élucidés. L'activation de la voie mTOR par la dihydrotestostérone (DHT) serait dépendante de la synthèse d'ARN messager stimulée par le récepteur aux androgènes [20]. L'activation de la voie mTOR/S6 kinase jouerait donc un rôle important dans le passage à l'hormono-indépendance [21]. Par conséquent les inhibiteurs de mTOR sont une voie de recherche intéressante dans le traitement des tumeurs hormono indépendantes. Les études pré-cliniques ont montré l'intérêt des inhibiteurs de mTOR pour potentialiser l'effet de l'irradiation [22] ou de la chimiothérapie [23], notamment dans les lignées cellulaires présentant une perte de l'activité PTEN.

Autres cancers

Cancer du sein

Les inhibiteurs de mTOR ont été employés in vitro sur des lignés cellulaires de cancer du sein. Mondesire a ainsi rapporté un effet synergique de l'association rapamycine et carboplatine avec le paclitaxel et un effet additif de l'association rapamycine et gemcitabine et la doxorubicine [24]. Albert a montré que les effets cytotoxiques des radiations sur les lignés cellulaires MDA-MB-231 et MCF-7 de cancer du sein sont majorés in vitro par l'everolimus [25]. L'association everolimus et letrozole (inhibiteur d'aromatase) testée in vivo a montré un effet synergique et a prévenu le développement de la résistance aux inhibiteurs d'aromatase [26]. Par ailleurs, l'effet anti-angiogénique du temsirolimus a été démontré in vivo [27]. En étude de phase II, 9,2% de réponses objectives ont été observés avec le temsirolimus utilisé chez 109 patientes ayant un cancer du sein avancé ou métastatique [28].

Leucémies

Les études in vitro ont montré que la voie mTOR/PI3K/AKT est impliquée dans survie des cellules de leucémie aigue myéloide et que l'everolimus potentialise la cytotoxicité de la chimiothérapie (Ara-C) sur ces cellules [29]. Dans certains modèles de leucémies lymphoblastiques aiguës, la rapamycine a inhibé in vitro la croissance des précurseurs lymphocytaires B et a permis, in vivo, un doublement de la survie dans un modèle murin transgénique [30]. Des études de phase I et II ont été menées chez des patients atteints de leucémies réfractaires aux traitements usuels par chimiothérapie et ont montré la bonne tolérance de l'everolimus et des réponses objectives au traitement [31]. Les études de phase III sont en cours.

Tumeurs du système nerveux central

Les gliomes malins sont caractérisés par une surexpression du récepteur de l'Epidermal Growth Factor (EGFR) et la perte de PTEN. L'étude de Doherty chez 22 patients en récidive après traitement, a montré que l'association de sirolimus et d'un inhibiteur de l'EGFR (gefitinib, erlotinib) a permis d'obtenir 19% de réponse partielle et 50% de stabilisation de la maladie [32]. Le sirolimus a également été employé avec efficacité in vitro dans le traitement de cellules de neuroblastomes. Son association à la vinblastine a donné un effet anti-angiogénique synergique in vivo [33].

Mélanome

Parallèlement aux résultats modestes de travaux pré-clinique [34], l'étude de phase II de Margolin comportant 33 patients ayant un mélanome métastatique n'a pas montré de résultats intéressants [35]. L'association à un inhibiteur des kinases B-Raf (BAY43-9006), pourrait permettre une amélioration de ces résultats [36].

Leiomyosarcome

Un cas de réponse qualifiée d'impressionnante a été rapporté avec l'association gemcitabine et rapamycine chez un patient métastatique [37]. Cet unique cas n'a pas été corroborée par d'autre publication.

Mésothéliome pleural

La majorité de ses tumeurs surexprime le récepteur au facteur de croissance ErbB1 dont le signal est transmis par la voie mTOR/PI3K/AKT. L'intérêt de l'association de rapamycine et d'un inhibiteur du récepteur ErbB1 (Lapatinib*) a été démontré in vitro par Mukohara [38].

Cancer de l'ovaire

Le rôle de la voie mTOR/PI3K/AKT dans la prolifération des cellules de ce cancer a été démontré ainsi que l'intérêt des inhibiteurs de mTOR in vitro. Des études cliniques sont en cours pour connaïtre l'intérêt thérapeutique des inhibiteurs de mTOR dans le cancer de l'ovaire [39].

Malgré ces résultats encourageants, une résistance à la rapamycine a été rapportée et ses mécanismes ont été décrits. L'inhibition totale de la voie mTOR/PI3K/AKT a été corrélée à une augmentation de la résistance cellulaire à l'apoptose. L'étude de McMahon et coll. a montré que l'inhibition exercée sur la voie mTOR/PI3K/AKT est plus efficace en étant sélective, par exemple en inhibant la protéine ribosomale S6 (S6K1) [40]. De nouvelles molécules permettant cette inhibition sélective sont actuellement en cours de développement.

Par ailleurs l'emploi des inhibiteurs de mTOR en oncologie est limité par le manque de marqueur permettant de prédire l'efficacité du traitement et de suivre son action. Concernant la prédiction de l'efficacité, l'étude de PTEN semble intéressante car les inhibiteurs de mTOR sont plus efficaces en cas de perte de PTEN.

Au total, la voie mTOR très convoitée en immunosuppression, serait aussi intéressante en oncologie. Les études précliniques ont apporté le rationnel à des études de phase I et II. Les résultats de ces études ont été encourageants. Cependant les résultats d'étude de phase III sont attendus pour démontrer l'intérêt de la prescription d'inhibiteur de mTOR. Parallèlement, la connaissance de plus en plus approfondie de la voie mTOR permettra sans doute le développement de nouvelles molécules plus efficaces et plus sélectives.

Conclusion

Les inhibiteurs de mTOR interrompent le cycle cellulaire en phase G1 et inhibent ainsi la prolifération cellulaire. Ce mode d'action leur confère une activité antibiotiques, immunosuppressive et antiproliférative. Si l'effet antibiotique, trop faible, a été négligé, l'effet immunosuppresseur des inhibiteurs de mTOR a été utilisé en transplantation rénale et a permis d'obtenir une diminution des rejets aigus au prix d'effet secondaire hématopoiétique et lipidique. En oncologie, l'association d'inhibiteur de mTOR à d'autre agent cytotoxique a augmenté la cytotoxicité et a donné des résultats prometteurs dans le traitement de formes métastatiques de certains cancers (rein, sein). Cependant, les résultats des études de phase III sont attendus pour confirmer cette efficacité.

Ce double effet des inhibiteurs de mTOR pourrait être tout à fait intéressant dans le domaine des néoplasies post-transplantation. Étant donné le risque carcinologique chez les transplantés, les propriétés anti-prolifératives des inhibiteurs de mTOR constituent un argument en faveur de leur intégration au traitement immunosuppresseur d'entretien en particulier chez les patients à risque ou ayant des antécédents néoplasiques.

Membres du Comité Transplantation de l'Association Française d'Urologie :

Laetitia ALBANO, Lionel BADET, Benoit BARROU, Pascal BLANCHET, Karim BENSALAH, Emmanuel CHARTIER KASTLER, Véronique DELAPORTE, Fabrice DUGARDIN, Benoït FEUILLU, Marc GIGANTE, Philipe GRISE, Jacques HUBERT, François IBORRA, Georges KARAM, François KLEINCLAUSS, Eric LECHEVALLIER, Marie Christine MOAL, Valérie MOAL, Pierre MONGIAT ARTUS, Marc MOUZIN, Yann NEUZILLET, Jacques PETIT, Michaël PEYROMAURE, Federico SALLUSTO, Laurent SALOMON, Nicolas THIOUNN, Christophe VAESSEN, Philippe WOLF.

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