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Knab F, Koch SP, Major S, Farr TD, Mueller S, Euskirchen P, Eggers M, Kuffner MT, Walter J, Berchtold D, Knauss S, Dreier JP, Meisel A, Endres M, Dirnagl U, Wenger N, Hoffmann CJ, Boehm-Sturm P, Harms C. Prediction of Stroke Outcome in Mice Based on Noninvasive MRI and Behavioral Testing. Stroke 2023; 54:2895-2905. [PMID: 37746704 PMCID: PMC10589430 DOI: 10.1161/strokeaha.123.043897] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/23/2022] [Revised: 07/06/2023] [Accepted: 08/02/2023] [Indexed: 09/26/2023]
Abstract
BACKGROUND Prediction of poststroke outcome using the degree of subacute deficit or magnetic resonance imaging is well studied in humans. While mice are the most commonly used animals in preclinical stroke research, systematic analysis of outcome predictors is lacking. METHODS We intended to incorporate heterogeneity into our retrospective study to broaden the applicability of our findings and prediction tools. We therefore analyzed the effect of 30, 45, and 60 minutes of arterial occlusion on the variance of stroke volumes. Next, we built a heterogeneous cohort of 215 mice using data from 15 studies that included 45 minutes of middle cerebral artery occlusion and various genotypes. Motor function was measured using a modified protocol for the staircase test of skilled reaching. Phases of subacute and residual deficit were defined. Magnetic resonance images of stroke lesions were coregistered on the Allen Mouse Brain Atlas to characterize stroke topology. Different random forest prediction models that either used motor-functional deficit or imaging parameters were generated for the subacute and residual deficits. RESULTS Variance of stroke volumes was increased by 45 minutes of arterial occlusion compared with 60 minutes. The inclusion of various genotypes enhanced heterogeneity further. We detected both a subacute and residual motor-functional deficit after stroke in mice and different recovery trajectories could be observed. In mice with small cortical lesions, lesion volume was the best predictor of the subacute deficit. The residual deficit could be predicted most accurately by the degree of the subacute deficit. When using imaging parameters for the prediction of the residual deficit, including information about the lesion topology increased prediction accuracy. A subset of anatomic regions within the ischemic lesion had particular impact on the prediction of long-term outcomes. Prediction accuracy depended on the degree of functional impairment. CONCLUSIONS For the first time, we developed and validated a robust tool for the prediction of functional outcomes after experimental stroke in mice using a large and genetically heterogeneous cohort. These results are discussed in light of study design and imaging limitations. In the future, using outcome prediction can improve the design of preclinical studies and guide intervention decisions.
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Affiliation(s)
- Felix Knab
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
| | - Stefan Paul Koch
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, NeuroCure Cluster of Excellence and Charité Core Facility, 7T Experimental MRIs, Germany (S.P.K., T.D.F., S. Mueller, P.B.-S.)
| | - Sebastian Major
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
| | - Tracy D. Farr
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, NeuroCure Cluster of Excellence and Charité Core Facility, 7T Experimental MRIs, Germany (S.P.K., T.D.F., S. Mueller, P.B.-S.)
- School of Life Sciences, University of Nottingham, United Kingdom (T.D.F.)
| | - Susanne Mueller
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, NeuroCure Cluster of Excellence and Charité Core Facility, 7T Experimental MRIs, Germany (S.P.K., T.D.F., S. Mueller, P.B.-S.)
| | - Philipp Euskirchen
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| | - Moritz Eggers
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
| | - Melanie T.C. Kuffner
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
| | - Josefine Walter
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Berlin Institute of Health at Charité – Universitätsmedizin Berlin, QUEST Center for Transforming Biomedical Research, Germany (J.W.)
| | - Daniel Berchtold
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
| | - Samuel Knauss
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- Berlin Institute of Health (BIH), Germany (S.K., N.W., C.J.H., C.H.)
| | - Jens P. Dreier
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- Einstein Center for Neuroscience, Berlin, Germany (J.P.D., M. Endres, U.D., N.W., C.H.)
- Bernstein Center for Computational Neuroscience (J.P.D.)
| | - Andreas Meisel
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
| | - Matthias Endres
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
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- Einstein Center for Neuroscience, Berlin, Germany (J.P.D., M. Endres, U.D., N.W., C.H.)
- German Center for Cardiovascular Research (DZHK), partner site Berlin (M. Endres, U.D., C.H.)
- NeuroCure Clinical Research Center, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany (M. Endres., U.D.)
- German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE) (M. Endres, U.D.)
| | - Ulrich Dirnagl
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
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- Einstein Center for Neuroscience, Berlin, Germany (J.P.D., M. Endres, U.D., N.W., C.H.)
- German Center for Cardiovascular Research (DZHK), partner site Berlin (M. Endres, U.D., C.H.)
- NeuroCure Clinical Research Center, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany (M. Endres., U.D.)
- German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE) (M. Endres, U.D.)
| | - Nikolaus Wenger
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- Berlin Institute of Health (BIH), Germany (S.K., N.W., C.J.H., C.H.)
- Einstein Center for Neuroscience, Berlin, Germany (J.P.D., M. Endres, U.D., N.W., C.H.)
| | - Christian J. Hoffmann
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- Berlin Institute of Health (BIH), Germany (S.K., N.W., C.J.H., C.H.)
| | - Philipp Boehm-Sturm
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- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, NeuroCure Cluster of Excellence and Charité Core Facility, 7T Experimental MRIs, Germany (S.P.K., T.D.F., S. Mueller, P.B.-S.)
| | - Christoph Harms
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Klinik und Hochschulambulanz für Neurologie, Department of Experimental Neurology, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, T.D.F., S. Mueller, P.E., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., S.K., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Center for Stroke Research Berlin, Charité Universitätsmedizin Berlin, Germany (F.K., S.P.K., S. Major, S. Mueller., M. Eggers, M.T.C.K., J.W., D.B., J.P.D., A.M., M. Endres, U.D., N.W., C.J.H., P.B.-S., C.H.)
- Berlin Institute of Health (BIH), Germany (S.K., N.W., C.J.H., C.H.)
- Einstein Center for Neuroscience, Berlin, Germany (J.P.D., M. Endres, U.D., N.W., C.H.)
- German Center for Cardiovascular Research (DZHK), partner site Berlin (M. Endres, U.D., C.H.)
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