Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
126 
3.  HEALTH EFFECTS 
tubular secretion and resorption capacities (Altman and Dittmer 1974; NRC 1993; West et al. 1948).  
Children and adults may differ in their capacity to repair damage from chemical insults.  Children also 
have a longer remaining lifetime in which to express damage from chemicals; this potential is particularly 
relevant to cancer. 
Certain characteristics of the developing human may increase exposure or susceptibility, whereas others 
may decrease susceptibility to the same chemical.  For example, although infants breathe more air per 
kilogram of body weight than adults breathe, this difference might be somewhat counterbalanced by their 
alveoli being less developed, which results in a disproportionately smaller surface area for alveolar 
absorption (NRC 1993). 
Numerous epidemiological studies of ionizing radiation exposures have found higher cancer risks 
associated with exposures of infants and children infancy and childhood, compared to adults (Agency for 
Toxic Substances and Disease Registry 1999).  Although there is no direct evidence for increased 
susceptibility of children to toxicity from plutonium, several kinds of observations made in animals 
suggest that immature animals may be more vulnerable to plutonium as a result of higher deposition of 
absorbed plutonium on bone surfaces and higher turn-over of bone.  Studies conducted in immature 
beagles (inhalation exposures to 
239
PuO
2 
at age 2.6–3.6 months) showed that, in comparison to similar 
exposures of adult beagles, a larger fraction of the initially deposited lung burden was transferred to the 
skeleton (DOE 1988d, 1989).  This observation is consistent with the results from injection studies.  A 
comparison of bone distribution of plutonium in juvenile beagles (3 months of age), compared to young 
adult (17–20-month-old) and mature (60-month-old) beagles that received a single injection of plutonium 
citrate showed that skeletal deposition (percent of dose) was higher in juveniles, occurred more 
extensively in growing limb bones, and within bone, a larger portion of the bone burden was associated 
within bone volume (Bruenger et al. 1991a).  As discussed in Section 3.5, Mechanisms of Toxicity, 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 
may also contribute 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; Vaughan et al. 1973).  These observations suggest 
the possibility that children may have a higher susceptibility to bone marrow toxicity and related 
outcomes (e.g., leukemia) and skeletal toxicity of plutonium than adults, although this has not been 
verified either experimentally, or in epidemiological studies.  One observation that may be pertinent is 

---

PLUTONIUM 
127 
3.  HEALTH EFFECTS 
that dogs, examined 5 years after an inhalation exposure to 
239
PuO
2 
at age 2.6–3.6 months, showed a  
lower incidence of radiation pneumonitis than dogs exposed as adults.  This would be consistent with a  
greater transfer of plutonium from the lung to the skeleton.  Lung tissue growth in the younger dogs may  
have resulted in some lung tissue with little or no plutonium.  
Gastrointestinal absorption of ingested plutonium is higher in neonatal animals compared to mature  
animals, which may reflect a more permeable gastrointestinal tract in neonates or physiological  
adjustments in neonates related to nutrient (e.g., iron) absorption that affect plutonium uptake.  
Absorption has been shown to be 10–1,000 times greater in neonates compared to adults, depending on 
animal species and chemical form of plutonium (Sullivan 1980a, 1980b; Sullivan and Gorham 1983;  
Sullivan et al. 1985).  Iron deficiency increases absorption in juvenile rats (Sullivan and Ruemmler 1988).  
However, available animal data have not demonstrated that increased plutonium uptake by neonatal and 
juveniles results in increased susceptibility to the toxic effects of internalized plutonium.  
3.8   BIOMARKERS OF EXPOSURE AND EFFECT 
Biomarkers are broadly defined as indicators signaling events in biologic systems or samples.  They have 
been classified as markers of exposure, markers of effect, and markers of susceptibility (NAS/NRC 
1989). 
A biomarker of exposure is a xenobiotic substance or its metabolite(s) or the product of an interaction 
between a xenobiotic agent and some target molecule(s) or cell(s) that is measured within a compartment 
of an organism (NAS/NRC 1989).  The preferred biomarkers of exposure are generally the substance 
itself, substance-specific metabolites in readily obtainable body fluid(s), or excreta.  However, several 
factors can confound the use and interpretation of biomarkers of exposure.  The body burden of a 
substance may be the result of exposures from more than one source.  The substance being measured may 
be a metabolite of another xenobiotic substance (e.g., high urinary levels of phenol can result from 
exposure to several different aromatic compounds).  Depending on the properties of the substance (e.g., 
biologic half-life) and environmental conditions (e.g., duration and route of exposure), the substance and 
all of its metabolites may have left the body by the time samples can be taken.  It may be difficult to 
identify individuals exposed to hazardous substances that are commonly found in body tissues and fluids 
(e.g., essential mineral nutrients such as copper, zinc, and selenium).  Biomarkers of exposure to 
plutonium are discussed in Section 3.9.1. 

---