Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
120 
3.  HEALTH EFFECTS 
Although Pu(IV) forms complexes with a variety of plasma proteins, including albumin, -globulins, and 
low molecular weight proteins, the dominant complex is with transferrin.  The dissociation constant of 
Pu(IV)-transferrin complex has not been measured; however, the complex appears to be less stable than 
Fe(III)-transferrin complex (K
d
≈
10
-22 
M) (Aisen and Listowsky 1980).  As a result, binding of Fe(III) to 
transferrin can influence the degree of binding of Pu(IV).  Plutonium also forms complexes with 
nonprotein ligands, polycarboxylates (e.g., citrate, lactate).  The stability constants for the mono- and 
di-citrate complexes are approximately 10
15 
and 10
30 
M, respectively (Taylor 1973). 
Distribution within Soft Tissues. 
Plutonium, because it is strongly bound to proteins in blood, does not 
escape easily from the vasculature.  However, at sites within the body where blood sinusoids are present 
(e.g., in the liver, red bone marrow), protein-plutonium complexes in plasma can leave the vasculature 
and distribute to sites within tissues.  Plutonium can exist within tissues as an ion bound to binding sites 
on proteins, including those associated with iron metabolism (e.g., transferrin, haemosiderin, and ferritin) 
or as insoluble particulates.  Particulates may derive from inhalation of particles of plutonium (e.g., PuO
2
) 
or may form by aggregation of polymeric hydrolysis products of more soluble Pu(IV) compounds (e.g., 
plutonium citrate and plutonium nitrate) (Taylor 1973).  In the lung, plutonium accumulates within 
alveolar macrophages and Type I alveolar epithelial cells (both of which phagocytize plutonium 
particles), and in lung-associated lymph nodes (Bair et al. 1973).  Aggregation of macrophages can result 
in localized regions of high activity that can become encapsulated in fibrotic material, inhibiting the 
dissolution of the plutonium and the further migration of the macrophages from the lung.  Plutonium is 
also found associated with hemosiderin (in bone marrow macrophages) and with ferritin in liver and other 
tissues (e.g., spleen, bone marrow) where ferritin is expressed (Gorden et al. 2003; Taylor 1973).  The 
sequestration of plutonium into ferritin may contribute to the relatively long retention time of plutonium 
in liver.  Following intravenous administration of 
239
Pu-citrate or 
239
Pu(NO
3
)
4 
to rats, plutonium was 
found in hepatocytes and sinusoidal cells.  Distribution of plutonium within liver was relatively 
homogeneous following injection of 
239
Pu-citrate compared to a heterogeneous pattern of aggregation in 
liver following injection of 
239
Pu(NO
3
)
4 
(Fouillit et al. 2004).  A similar pattern has been observed in dogs 
(Gearhart et al. 1980).  These observations suggest distinct mechanisms of transfer of the two compounds 
into and/or within liver.  The temporal changes in the distribution pattern of plutonium in liver and lung 
also occur.  In liver, this may derive from regeneration of injured tissue.  In the lung, plutonium deposits 
become focalized, over time, within macrophages.  Within the lungs, after intakes of insoluble plutonium 
particles the number of contaminated macrophages decreases and the remaining macrophages become 
loaded with even larger amounts of plutonium.  These often come together to form local hotspots that 

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PLUTONIUM 
121 
3.  HEALTH EFFECTS 
sometimes form a fibroid capsule around them, which inhibits both the dissolution of the plutonium and 
the further migration of the macrophages. 
Distribution within Bone. 
Plutonium in bone initially distributes to bone surfaces adjacent to blood 
sinusoids in bone marrow and can subsequently be redistributed within bone volume during bone growth 
and remodeling. Redistribution of plutonium from bone to bone marrow can also occur, at least in part, 
from macrophage phagocytosis of plutonium released from bone during bone resorption.  Various studies 
of bone uptake of injected plutonium suggest the following general pattern of deposition of plutonium on 
bone surfaces (DOE 1989; Leggett 1985; Priest 1990; Rosenthal et al. 1972a, 1972b; Vaughan et al. 
1973):  (1) monomeric complexes of plutonium (e.g., monomeric plutonium citrate) deposit preferentially 
at bone surfaces, with relatively little initial distribution to marrow; whereas, highly polymeric plutonium 
deposits preferentially in marrow; (2) initial deposition is greater on trabecular compared to cortical bone 
surfaces; (3) initial deposition occurs preferentially on endosteal surfaces compared to periosteal surfaces; 
(4) deposition is greater on surfaces where active resorption is occurring compared to surfaces undergoing 
mineralization; and (5) deposition is greater on surfaces of the axial skeleton (i.e., skull, hyoid bone, 
sternum, ribs, and vertebrae) then on the appendicular skeleton (i.e., limbs).  Mechanisms of plutonium 
deposition at bone surfaces are not completely understood.  Plutonium (IV) can form complexes with 
bone glycoproteins, collagen, and bone mineral (Vaughan et al. 1973). 
The deposition pattern in bone is age-dependent.  A comparison of bone distribution of plutonium in 
juvenile (3 months) beagles, compared to young adult (17–20 months) and mature (60 months) beagles 
that received a single injection of plutonium citrate showed the following patterns (Bruenger et al. 1991a): 
(1) deposition (per cent of dose) was higher in juveniles; (2) a larger fraction of the skeletal deposition 
occurred in limb bones of juveniles; and (3) plutonium in bone volume (as opposed to bone surface) was 
more pronounced in juveniles.  These observations are consistent with the concept that plutonium 
preferentially deposits in regions adjacent to red marrow, which has a wider distribution in juveniles than 
in adults, and is more prominent in trabecular bone than in cortical bone, and in bones of the axial 
skeleton.  High bone turn-over in juveniles contributes to more rapid distribution of plutonium from bone 
surface to bone volume as a result of burial of surface deposits, uncovering buried deposits, and recycling 
of the plutonium between marrow, bone, and blood (Bruenger et al. 1991a; Leggett 1985; Priest 1990; 
Vaughan et al. 1973). 
Metabolism. 
Plutonium metabolism in physiological systems consists, primarily, of hydrolytic 
reactions and formation of complexes with protein and nonprotein ligands.  

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