Abstract Titanium dioxide is widely used as a food additive (E 171), 36% of its composition is nanoparticles. Existing studies have found oral toxic effects of titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) on several organs and systems in vivo. Thus, TiO2 NPs may affect the whole body through the internal circulation system. To explore the adverse effect on serum after subchronic exposure to TiO2 NPs, we examined male Sprague-Dawley rats orally administered with TiO2 NPs at a dose of 50 mg/kg body weight per day for 90 days. Serum metabolomics was carried out through high performance liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS). Body weight of rats was decreased in the exposure group, which was unrelated with food intake. Through bioinformation analysis, we found different metabolic signatures between the exposure and control groups. There were 17 differential metabolites between the two groups, including 9 amino acids changed and two antioxidants (Propionylcarnitine and kynurenic acid) increased. KEGG pathway analysis revealed that two metabolic pathways significantly altered in the exposure group, including Arginine biosynthesis and Glutathione metabolism, which were both oxidative stress associated. The increased malondialdehyde (MDA), decreased activity of glutathione peroxidase (GSH-Px) and superoxide dismutase (SOD) were further discovered in serum. In summary, our research suggested that oral exposure to TiO2 NPs could disturb serum metabolism and cause oxidative stress. Interfering with the assimilation and metabolism of amino acid might be the indirect pathway of toxic effects induced by TiO2 NPs.

中文翻译：

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口服二氧化钛纳米颗粒后 Sprague-Dawley 大鼠的血清代谢组学特征

摘要 二氧化钛被广泛用作食品添加剂（E 171），其成分的 36% 是纳米颗粒。现有研究发现，二氧化钛纳米颗粒 (TiO2 NPs) 对体内多个器官和系统具有口服毒性作用。因此，TiO2 NPs 可能通过内循环系统影响全身。为了探索亚慢性暴露于 TiO2 NPs 后对血清的不利影响，我们检查了雄性 Sprague-Dawley 大鼠以每天 50 mg/kg 体重的剂量口服给药 TiO2 NPs 90 天。血清代谢组学通过高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）进行。暴露组大鼠体重下降，与摄食无关。通过生物信息分析，我们发现暴露组和对照组之间存在不同的代谢特征。两组间有17个差异代谢物，其中9个氨基酸发生变化，2种抗氧化剂（丙酰肉碱和犬尿氨酸）增加。KEGG 通路分析显示，暴露组有两条代谢通路发生显着改变，包括精氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢，这两种通路均与氧化应激相关。在血清中进一步发现丙二醛 (MDA) 增加、谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。包括 9 个氨基酸改变和两种抗氧化剂（丙酰肉碱和犬尿氨酸）增加。KEGG 通路分析显示，暴露组有两条代谢通路发生显着改变，包括精氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢，这两种通路均与氧化应激相关。在血清中进一步发现丙二醛 (MDA) 增加、谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。包括 9 个氨基酸改变和两种抗氧化剂（丙酰肉碱和犬尿氨酸）增加。KEGG 通路分析显示，暴露组有两条代谢通路发生显着改变，包括精氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢，这两种通路均与氧化应激相关。在血清中进一步发现丙二醛 (MDA) 增加、谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。KEGG 通路分析显示，暴露组有两条代谢通路发生显着改变，包括精氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢，这两种通路均与氧化应激相关。在血清中进一步发现丙二醛 (MDA) 增加、谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。KEGG 通路分析显示，暴露组有两条代谢通路发生显着改变，包括精氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢，这两种通路均与氧化应激相关。在血清中进一步发现丙二醛 (MDA) 增加、谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。在血清中进一步发现谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。在血清中进一步发现谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性降低。总之，我们的研究表明，口服 TiO2 NPs 会干扰血清代谢并引起氧化应激。干扰氨基酸的同化和代谢可能是 TiO2 NPs 诱导毒性作用的间接途径。