Este estudio utilizó conjuntos de datos de acceso público y líneas celulares humanas disponibles comercialmente. No se incluyeron participantes humanos, tejidos humanos recién recolectados ni animales vertebrados; por lo tanto, no se requirió la aprobación del comité de ética institucional. Las herramientas de investigación, el software y los recursos en línea utilizados en el protocolo se enumeran en la Tabla de materiales.
1. Procesamiento de datos para el análisis de expresión diferencial
Para establecer los cohortes de descubrimiento y validación transcriptómicos, se realizó una búsqueda en la base de datos Gene Expression Omnibus (GEO) utilizando el término «colitis ulcerosa». Cuatro conjuntos de datos—GSE87466, GSE92415, GSE107499 y GSE75214—se utilizaron como conjunto de entrenamiento, mientras que GSE47908 se reservó para validación externa. Los conjuntos de datos de entrenamiento se normalizaron y corrigieron por lotes mediante ComBat en Sangerbox 3.0, mientras que el conjunto de datos de validación se procesó de forma independiente.
Se obtuvieron un total de 583 genes relacionados con la ferroptosis (FRG) de FerrDB y se complementaron con genes reportados en la literatura para reducir el sesgo de una sola fuente12. Un conjunto de 96 genes relacionados con la cuproptosis (CRG) se compiló a partir de estudios publicados12,13,14. El análisis de expresión diferencial se realizó mediante limma con umbrales de |cambio en el log₂| > 1 y P ajustado por Benjamini–Hochberg < 0,05. Los gráficos diagnósticos de normalización, corrección por lotes, expresión diferencial y agrupamiento se proporcionan en la Figura Suplementaria 1. La composición de las muestras, las plataformas y las asignaciones de las cohortes se detallan en la Tabla Suplementaria 1.
2. Identificación de DEG-FC en la CU
Se realizó un análisis de correlación de Pearson utilizando umbrales de |r| > 0,5 y P < 0,05 para identificar FRG y CRG coexpresados. El conjunto de genes resultante se intersectó con los genes expresados diferencialmente (DEG) para identificar genes expresados diferencialmente con coexpresión de cuproptosis y ferroptosis (CF-DEG).
3. Análisis de enriquecimiento
Se realizaron análisis de enriquecimiento de Gene Ontology (GO) y Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) utilizando clusterProfiler y la plataforma Bioinformatics.com.cn. Se utilizó un valor de P ajustado por Benjamini–Hochberg < 0,05 como umbral de significancia. Los gráficos de enriquecimiento se proporcionan en la Figura Suplementaria 2.
4. Análisis de red de coexpresión génica ponderada (WGCNA)
La estructura modular subyacente a los perfiles de expresión génica se analizó mediante el análisis de red de coexpresión génica ponderada (WGCNA). Las muestras anormales se identificaron y excluyeron mediante agrupamiento jerárquico combinado con la función goodSamplesGenes. Posteriormente, se determinó una potencia adecuada de umbralización suave (β) para cumplir con el criterio de topología libre de escala en la construcción de la red.
Los datos de expresión procesados se utilizaron para construir una matriz de superposición topológica (TOM) para el análisis de coexpresión génica. Mediante el enfoque de corte dinámico de árboles, los genes con patrones de expresión altamente consistentes se organizaron en módulos génicos, cada uno conteniendo al menos 100 genes. Se analizaron las asociaciones entre los eigengenes de los módulos (MEs) y los fenotipos para identificar los módulos asociados con el proceso de la enfermedad y extraer los conjuntos génicos correspondientes. Los diagnósticos de cribado de WGCNA se proporcionan en la Figura Suplementaria 3.
5. Selección de biomarcadores
Para priorizar los candidatos para el seguimiento experimental, se aplicaron en paralelo tres algoritmos de aprendizaje automático15. Se utilizó la regresión mediante el operador de contracción y selección por mínimos absolutos (LASSO, por sus siglas en inglés) para la selección de características, un bosque aleatorio con ntree = 500 para clasificar la importancia de los genes, y una máquina de vectores de soporte con eliminación recursiva de características (SVM-RFE, por sus siglas en inglés) para identificar el subconjunto de características con el menor error de validación cruzada. Los diagnósticos completos del cribado se proporcionan en la Figura Suplementaria 5.
La importancia de los genes se evaluó según la contribución de cada gen individual a la precisión de la clasificación, y se recopilaron los genes con mayor puntuación para generar un conjunto preliminar de genes16. El algoritmo SVM-RFE realizó la selección de características y la optimización del modelo mediante eliminación iterativa de características, lo que permitió identificar el subconjunto óptimo de características para la clasificación17. Los genes comunes a los tres algoritmos se consideraron biomarcadores candidatos identificados mediante aprendizaje automático.
Los genes diferencialmente expresados en la CF (CF-DEGs) se utilizaron para construir una red de interacción proteína-proteína (PPI), y CytoHubba se empleó para clasificar los nodos centrales. La intersección de los módulos clave de WGCNA, las tres salidas del aprendizaje automático y el conjunto central de PPI definió cinco biomarcadores candidatos integrados: LCN2, IDO1, CXCL2, NOS2 y CD274. Estos genes se clasificaron como candidatos diagnósticos asociados a la colitis ulcerosa (UC). Experimentos posteriores con inhibidores clasificaron además a LCN2, IDO1, CXCL2 y NOS2 como marcadores sensibles a la inhibición de la ferroptosis y a CD274 como un marcador sensible a la inhibición de la cuproptosis. No se consideró que estos genes fueran reguladores upstream demostrados de ninguna de las dos vías.
6. Desarrollo del modelo predictivo y evaluación multimétodo
Para evaluar el potencial clínico de traslación de la firma génica identificada, se construyó un nomograma utilizando el paquete rms para evaluar el rendimiento diagnóstico. El rendimiento del modelo se evaluó mediante una curva de calibración, la prueba de Hosmer-Lemeshow (HL) y el índice de concordancia de Harrell (índice C).
La calibración del modelo se evaluó utilizando la prueba de Hosmer-Lemeshow (HL) y el error absoluto medio (MAE). Se establecieron como umbrales un valor de P > 0,05 y un MAE < 0,1 para un ajuste y una precisión del modelo aceptables, respectivamente. Se generaron curvas de característica operativa del receptor (ROC) y se calculó el área bajo la curva (AUC) para evaluar el rendimiento predictivo del nomograma para la colitis ulcerosa (UC). Se utilizó un conjunto de datos independiente para evaluar la generalización y estabilidad del modelo.
7. Análisis de enriquecimiento de conjuntos de genes (GSEA)
En el conjunto de entrenamiento, se realizó un análisis de correlación de Spearman entre cada biomarcador y todos los demás genes. Los resultados de correlación se ordenaron para generar un conjunto de genes clasificados. Se llevó a cabo un análisis de enriquecimiento de conjuntos de genes (GSEA) utilizando el conjunto de genes c2.cp.kegg_medicus.v2025.1.Hs.symbols de la Base de Datos de Firmas Moleculares (MSigDB) como referencia. Las vías biológicas con P < 0,05 se consideraron significativamente enriquecidas.
8. Análisis del paisaje inmunitario
La herramienta CIBERSORT y la matriz de firmas LM22 se utilizaron para realizar el análisis de desconvolución de los datos de expresión y estimar las proporciones de los 22 subtipos de células inmunitarias. Posteriormente, se realizó un análisis de correlación de Spearman para evaluar las asociaciones entre los cinco biomarcadores y los subtipos de células inmunitarias.
9. Análisis de la red reguladora
Se obtuvo información sobre la regulación de factores de transcripción (TF) y microARN (miARN) relacionados con genes a partir de las bases de datos integradas ChEA3 y TarBase 9.0 mediante la plataforma NetworkAnalyst. Se incluyeron en la red reguladora los miARN asociados con al menos dos nodos.
10. ARN-seq de una sola célula
Los conjuntos de datos de células individuales de UC GSE116222, que comprenden tres muestras sanas y tres muestras de UC, y GSE214695, que comprenden seis muestras sanas y seis muestras de UC, fueron integrados. Las células se conservaron cuando contenían entre 200 y 5.000 genes detectados, >1.000 identificadores moleculares únicos, < 30% de transcritos mitocondriales, < 3% de transcritos de hemoglobina, y < 50 % de transcritos ribosomales. Se utilizó la función NormalizeData para la normalización, y Harmony se empleó para la corrección de lotes antes del agrupamiento y la anotación.
Después del filtrado, los datos se normalizaron utilizando la función NormalizeData. Se utilizó Harmony para minimizar los efectos de lote entre las muestras. Se aplicaron la aproximación uniforme de variedades y proyección (UMAP) y el incrustado estocástico de vecinos distribuido en t (t-SNE) para la reducción de dimensionalidad y la agrupación de células, con el fin de caracterizar las estructuras locales y globales dentro de la población celular. Se conservaron un total de 31.712 células de alta calidad para análisis posteriores. Los tipos celulares se anotaron según los genes marcadores canónicos de células.
Se realizó un análisis de pseudotiempo utilizando Monocle 2 para investigar los cambios en los estados de las células epiteliales y mieloides procedentes de tejidos de CU. Se evaluaron las trayectorias de desarrollo celular y las diferencias entre grupos, y se visualizaron los patrones de expresión de biomarcadores a lo largo de la trayectoria de pseudotiempo.
CellChat se utilizó para evaluar la comunicación entre células epiteliales y subpoblaciones de células mieloides. Se integraron patrones de expresión específicos de subpoblaciones para inferir probabilidades de interacción y vías de señalización clave entre células epiteliales y mieloides, y para caracterizar sus potenciales redes reguladoras intercelulares.
11. Experimentos con células
Las células de adenocarcinoma de colon humano Caco-2 se cultivaron en medio de Eagle modificado por Dulbecco que contenía 10% de suero bovino fetal, 100 U/mL de penicilina y 100 µg/mL de estreptomicina a 37 °C en una atmósfera con 5% de CO₂. Las células Caco-2 fueron seleccionadas como un modelo reproducible de monocapa epitelial para ensayos de barrera intestinal y lesión inflamatoria; sin embargo, su origen maligno limita la extrapolación directa al epitelio colónico no maligno. La información sobre los pasajes no estaba disponible en los registros experimentales archivados.
Se estableció un modelo in vitro de inflamación-lesión mediante la exposición de las células a 1 µg/mL de lipopolisacárido (LPS) durante 24 h. Las células se asignaron a un grupo control con vehículo de dimetilsulfóxido, un grupo con solo LPS, un grupo con LPS + 4 µM de ferrostatina-1 o un grupo con LPS + 40 µM de tetratiomolibdato, con concentraciones finales de solvente equivalentes. El grupo con solo LPS sirvió como control positivo de lesión/modelo para las comparaciones de rescate con inhibidores.
- Viabilidad celular
La viabilidad celular se evaluó mediante un ensayo de viabilidad celular según las instrucciones del fabricante. Después de la incubación a 37 °C durante aproximadamente 2 h, se midió la absorbancia a 450 nm utilizando un lector de microplacas.
- Medición de los niveles de MDA y Fe²⁺
Los niveles intracelulares de malondialdehído (MDA) y Fe2⁺ se midieron utilizando los kits de ensayo correspondientes según las instrucciones de los fabricantes. La proteína total se cuantificó mediante un ensayo de ácido bicinconínico, y cada resultado se normalizó respecto al contenido proteico de la muestra correspondiente.
- Ensayo con sonda fluorescente de iones de cobre
Tras la eliminación del medio de cultivo, se añadió una sonda fluorescente específica para Cu2⁺ a una concentración final de 1 µM y se incubó durante 30 min a 37 °C. Las imágenes se adquirieron inmediatamente sin lavado, utilizando un microscopio de fluorescencia invertido con longitudes de onda de excitación y emisión de 510 y 578 nm, respectivamente. Los parámetros de adquisición se mantuvieron constantes entre los grupos, y la barra de escala de las imágenes se calibró a 50 µm.
- RT-qPCR
El ARN total se aisló utilizando un reactivo de extracción de ARN basado en fenol–guanidinio. Se sintetizó ADN complementario a partir de 1 µg de ARN utilizando un kit de síntesis de primera cadena de ADN complementario, y se emplearon reactivos basados en SYBR Green para la PCR en tiempo real. Cada reacción se realizó por triplicado técnico. Las secuencias de los cebadores se proporcionan en Supplementary Table 2, y la abundancia relativa de ARN mensajero se calculó utilizando el método 2⁻ΔΔCt.
12. Análisis estadístico
La normalidad y la homogeneidad de la varianza se evaluaron mediante las pruebas de Shapiro-Wilk y de Levene centrada en la mediana, respectivamente. Los datos que cumplían ambos supuestos se analizaron utilizando una prueba t no apareada de dos colas o un análisis de varianza de un solo factor seguido de la prueba de diferencia significativa honesta de Tukey. Cuando no se cumplía alguno de los supuestos, se utilizó la prueba t de Welch o el análisis de varianza de Welch seguido de comparaciones de Games-Howell.
Los resultados se presentan como media ± desviación estándar. Las cuentas reales de réplicas biológicas, los valores P exactos bilaterales y las comprobaciones de supuestos se informan en la Tabla Suplementaria 3. La hoja fuente archivada de la Figura 13 contiene menos réplicas de control para los paneles A (n = 4), C (n = 4) y F (n = 2), mientras que todas las demás combinaciones de panel/grupo contienen n = 6.
Los análisis computacionales se realizaron utilizando R y los flujos de trabajo limma, WGCNA, clusterProfiler, glmnet, randomForest, e1071, pROC, rms, Seurat v4, Harmony, Monocle 2, CellChat, y Cytoscape/CytoHubba. Los recursos en línea incluyeron FerrDB, GEO, STRING, ChEA3, TarBase 9.0, NetworkAnalyst, CIBERSORT/LM22, MSigDB, Bioinformatics.com.cn, y Sangerbox 3.0.