Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
138 
3.  HEALTH EFFECTS 
3.12.2  Identification of Data Needs 
Acute-Duration Exposure. 
The possibility of brief exposure of humans to plutonium exists at 
hazardous waste sites or at accidental spill sites.  However, no data are available for humans exposed 
acutely via inhalation or oral routes.  Information on the toxicity of plutonium in laboratory animals 
following single high-dose inhalation exposure is extensive and indicates that the lung is the main target 
organ for inhaled plutonium.  Laboratory animals exposed by this route have developed pneumonitis, 
fibrosis, metaplasia, and cancer.  Acute exposure of laboratory animals to lower doses of plutonium 
would be useful to identify possible inhalation toxicity in humans.  Limited information on adverse 
effects in laboratory animals following acute oral exposure indicates that the gastrointestinal tract is the 
main target organ.  However, kinetic studies indicate that plutonium absorbed from the gastrointestinal 
tract is distributed to the skeleton and other tissues; therefore, other organs may also be affected.  Because 
there are no data on humans, and animal data are insufficient, additional information is needed on adverse 
effects following acute exposure by the oral route.  No data are available on adverse effects following 
acute dermal exposure in humans or animals.  Limited information from kinetics studies in humans and 
animals indicates that there is little absorption of plutonium through intact skin.  However, plutonium 
deposited in wounds is absorbed and distributes to numerous organs, including regional lymph nodes and 
the liver.  Since industrial accidents resulting in plutonium-contaminated wounds are known to occur, 
additional information on adverse effects following this type of exposure would be helpful.  One 
outstanding problem with all of the existing acute exposure tests in laboratory animals is that the doses 
tested are extremely high.  Further single-dose studies for all exposure routes using a number of lower 
exposure concentrations would be useful in determining any dose-response relationship for adverse health 
effects. 
Intermediate-Duration Exposure. 
All of the major studies of cancer and other health end points in 
animals have involved lifetime follow up of animals acutely exposed to plutonium aerosols.  The 
relatively long retention time of plutonium in the body produces a chronic radiation dosing of tissues that 
retain plutonium.  These studies have provided the bases for absorbed radiation dose-response 
relationships for inhaled plutonium compounds (e.g., 
238
PuO
2
, 
238
PuO
2
, and 
238
Pu[NO
3
]
4
).  Toxicokinetic 
studies, and models derived from these studies, allow predictions of the tissue distribution of plutonium 
that would be expected with repeated exposures.  These can be used to predict dose-response relationships 
for repeated dosing scenarios.  The feasibility of conducting studies of intermediate- or chronic-duration 
exposures to plutonium compounds should be weighed against current uncertainties in predicting the 

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PLUTONIUM 
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3.  HEALTH EFFECTS 
outcomes from existing knowledge.  Furthermore, repeated exposure does not alter risk; the total dose of 
alpha radiation is important, not the temporal pattern of exposure. 
Few studies of the health effects of plutonium administered to animals by the oral route have been 
reported.  A single study in rats found profound effects on the gastrointestinal epithelium, consistent with 
radiation-induced injury.  Given the relatively small fractional absorption of ingested plutonium (<0.1% 
of administered dose), it is very likely that repeated (or single) oral dosing studies that produce systemic 
toxicity will produce lethal effects on the gastrointestinal tract.  Thus, the feasibility of conducting studies 
of intermediate- or chronic-duration oral exposures to plutonium compounds should be weighed against 
current uncertainties in predicting the outcomes from existing knowledge. 
Chronic-Duration Exposure and Cancer. 
Epidemiological studies of occupational cohorts with 
long-term exposure to plutonium include those established from employees at U.S. plutonium production 
and/or processing facilities (Hanford, Los Alamos, Rocky Flats), as well as facilities in Russia (Mayak) 
and the United Kingdom (e.g., Sellafield).  Studies of Mayak cohorts provide evidence for an association 
between cancer mortality and exposure to plutonium.  Plutonium dose-response relationships for lung 
cancer mortality have been corroborated in four Mayak studies (Gilbert et al. 2004; Jacob et al. 2005; 
Kreisheimer et al. 2003; Sokolnikov et al. 2008).  Studies of U.K. and U.S. facilities have examined 
cohorts of workers who had substantially lower estimated plutonium exposures and corresponding 
internal radiation doses than the Mayak cohorts.  Collectively, findings from these studies are not as 
consistent as the Mayak studies; although significantly higher incidence of cancer mortality in certain 
groups of plutonium workers has been found in some studies, higher cancer incidence and/or risks for 
tissues that received the highest plutonium radiation doses (i.e., lung, liver, bone) have not been found, 
making causal connections of these outcomes to plutonium exposure more uncertain (Brown et al. 2004; 
Carpenter et al. 1998; Gilbert et al. 1989b; McGeoghegan et al. 2003; Omar et al. 1999; Wing et al. 
2004).  Uncertainties in exposures received by each of these populations are a major contributor to the 
overall uncertainty in estimates of radiation doses and dose-response relationships.  For the Mayak cohort, 
an extensive collaborative effort between U.S. and Russian scientists has led to many improvements in 
both external and internal doses.  The improved doses (Leggett et al. 2005) have not been used in 
published analyses, but are likely to be used future analyses (Leggett et al. 2005; Vasilenko et al. 2007).  
Continued follow up of these cohorts, using improved exposure estimates, would extend our 
understanding of dose-response relationships. 

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