Toxicological Profile for Plutonium

62 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
bronchoalveolar carcinomas and papillary adenocarcinomas (Muggenburg et al. 1996; Park et al. 1997).  
No single histopathological type of liver tumor was identified as the most frequent.  Bile duct tumors 
were also observed in the 
238
PuO
2
-exposed ITRI and PNL dogs (Muggenburg et al. 1996; Park et al. 
1997). 
Exposure of Dogs to 
239
PuO
2
. 
In contrast to the high incidences of bone tumors in the dogs exposed to 
238
PuO
2 
or 
239
Pu(NO
3
)
4 
aerosols, cancer deaths in dogs exposed to aerosols of the relatively insoluble 
239
PuO
2 
were predominantly associated with lung tumors, as reported in a 20-year lifespan composite 
study (Muggenburg et al. 2008).  The study included 18 control dogs and 108 
239
PuO
2
-exposed dogs per 
sex, including seven dose groups with average ILBs of 0.16, 0.63, 1.6, 3.7, 6.4, 14, and 29 kBq/kg lung. 
A total of 125 of the 
239
PuO
2
-exposed dogs developed primary lung tumors and died between days 1,086 
and 6,123 after receiving radiation lung doses between 1.7 and 80 Gy.  The lowest absorbed dose for 
radiation pneumonitis in the dogs was in excess of 10-fold higher than that reported for humans by 
Newman et al. (2005). 
Most of the lung cancers were papillary adenocarcinomas (n=70) followed by bronchiolo-alveolar 
carcinomas (n=40) and adenosquamous carcinomas (n=22).  The frequency of lung cancer occurrence 
exceeded that of radiation pneumonitis at the lower doses, but radiation pneumonitis dominated at doses 
above an ILB of 3.7 mBq/kg; there was insufficient time for cancer development at ILBs >14 kBq/kg 
(Muggenburg et al. 2008).  Earlier and shorter studies reported bronchiolo-alveolar carcinoma as the most 
frequently identified cancer type. (DOE 1987f, 1988a, 1990a; Hahn et al. 1999; Weller et al. 1995b).  At 
exposure levels used in those studies, surviving dogs were at high risk for lung tumors.  In the dog study 
performed at PNL (DOE 1988a, 1990a; Weller et al. 1995b), death due at least in part to lung tumors was 
noted in 52/116 plutonium-exposed dogs versus 4/20 control dogs. 
Among the various studies, few dogs died from tumors of the bone, liver, or kidney where the respective 
radiation doses to those organ systems were approximately 2, 4, or 5 orders of magnitude lower than that 
to the lungs.  Although up to 10 and 1% of the plutonium deposited in the lung relocated to liver and 
skeleton, respectively, tumor incidences in liver and skeleton of plutonium-exposed were not significantly 
different from those of controls (Muggenburg et al. 2008).  Although bone tumors were reported as a 
primary cause of death in three PNL dogs from the two lowest exposure groups (mean ILBs of 0.01 or 
0.064 kBq/kg (DOE 1988a), they were not observed in dogs with higher ILBs and may not have been 
239
PuO
2
-induced.  Death due to radiation pneumonitis in dogs with higher ILBs would be expected to 
preclude late-developing lung tumors or tumors in organs where significantly lower radiation doses would 

---

63 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
make them relatively unlikely to occur.  Time-to-death in dogs with primary lung tumors ranged from 
1,086 days for a bronchioloalveolar carcinoma at 1.7 Gy to 6,123 days for a squamous cell carcinoma at 
80 Gy.  Neither bone nor liver tumors were reported in the 
239
PuO
2
-exposed ITRI dogs (Hahn et al. 1999; 
Muggenburg et al. 2008). 
Exposure of Dogs to 
239
Pu(NO
3
)
4
. 
The pattern of tumor development in PNL dogs exposed to 
239
Pu(NO
3
)
4 
was similar to that of dogs exposed to 
238
PuO
2
, with tumors observed in lung, bone, and liver 
(principally of bile-duct epithelium) (Dagle et al. 1996; DOE 1988b, 1994a).  Bone tumors were the main 
cause of death in the exposure groups with mean initial lung burdens of 1.02 and 5.91 kBq/kg, exposure 
levels at which incidences of dogs with bone tumors were 10/20 and17/20, respectively (DOE 1994a).  
Three of 20 dogs in the next lower exposure group (initial lung burden of 0.19 kBq/kg) also exhibited 
bone tumors.  No bone tumors were observed in the lowest exposure groups (mean initial lung burdens of 
0.028 or 0.0069 kBq/kg) or control dogs.  Bone tumors were found in axial and appendicular skeleton and 
primarily consisted of osteogenic sarcomas arising from endosteal surfaces (DOE 1994a).  In an interim 
report (DOE 1988b), lung tumors were a main cause of early death in 2/20, 6/20, and 11/20 dogs in the 
groups with mean initial lung burdens of 0.19, 1.02, and 5.91 kBq/kg, respectively.  Final lung tumor 
incidences were not located in available reports of 
239
Pu(NO
3
)
4
-exposed PNL dogs.  Incidences of liver 
tumors were 1/20, 0/20, 3/20, 3/20, 3/20, 5/20, and 0/20 in unexposed controls, vehicle controls, and low-
to-high exposure groups (mean initial body burdens of 0.0069, 0.030, 0.19, 1.02, and 5.91 kBq/kg), 
respectively (DOE 1994a).  At the highest exposure level, early deaths from other causes may have 
precluded the development of liver tumors. 
Exposure of Other Laboratory Animal Species. 
Lung tumors have been associated with exposure to 
239
PuO
2 
aerosols in rats (Dudoignon et al. 2001, 2003; Herbert et al. 1993; Lundgren et al. 1995; Oghiso 
and Yamada 2003a; Oghiso et al. 1994b, 1998; Sanders and Lundgren 1995; Sanders and Mahaffey 1979; 
Sanders et al. 1988a, 1988b, 1993b), mice (Lundgren et al. 1987), and primates (Hahn et al. 1984; 
Metivier et al. 1974).  Two of 32 baboons developed lung tumors following exposure to 
239
PuO
2 
aerosols 
at levels resulting in initial 
239
Pu lung burdens ranging from 10.6 to 267 kBq/kg lung (Metivier et al. 
1974).  Lung tumors have also been reported in rats exposed to 
238
PuO
2 
aerosols (Sanders et al. 1977). 
Hamsters appear to be resistant to lung tumor induction following inhalation of plutonium.  No 
statistically significant increases in tumor incidence occurred in lifetime studies of Syrian hamsters 
exposed once or repeatedly (seven exposures during 12 months) to 
238
PuO
2 
or 
239
PuO
2 
aerosols at levels 
resulting in initial or reestablished 
238
Pu or 
239
Pu lung burdens ranging from 52 to 130 kBq/kg (Sanders 

---