Toxicological Profile for Plutonium

90 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Figure 3-2.  Conceptual Representation of a Physiologically Based
 
Pharmacokinetic (PBPK) Model for a 
Hypothetical Chemical Substance
 
Lungs 
Liv er 
F at 
S lo w ly 
perfus ed 
tis s ues 
R ic h ly 
perfus ed 
tis s ues 
K idney 
S k in 
V 
E 
N 
O 
U 
S 
B 
L 
O 
O 
D 
A 
R 
T 
E 
R 
I 
A 
L 
B 
L 
O 
O 
D 
V 
m  a x  
K 
m 
Inges tion 
Inhaled c hem ic al 
E x ha led c hem ic al 
G I  
T ra c t 
F ec es 
U rin e
 C h e m ic a ls 
contac ting sk in 
Note:  This is a conceptual representation of a physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model for a 
hypothetical chemical substance.  The chemical substance is shown to be absorbed via the skin, by inhalation, or by 
ingestion, metabolized in the liver, and excreted in the urine or by exhalation. 
Source:  adapted from Krishnan and Andersen 1994 

---

91 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
For radionuclides, the PBPK model is replaced with a set of sophisticated physiologically based 
biokinetic (PBBK) models for inhalation, ingestion, and submersion.  These were developed to 
accomplish virtually the same end as the PBPK models above, while integrating additional parameters 
(for radioactive decay, particle and photon transport, and compound-specific factors).  Goals are to 
facilitate interpreting chest monitoring and bioassay data, assessing risk, and calculating radiation doses 
to a variety of tissues throughout the body.  The standard for these models has been set by the ICRP and 
their models receive international support and acceptance.  ICRP periodically considers newer science in 
a type of weight of evidence approach toward improving the state of knowledge and reducing 
uncertainties associated with applying the model to any given radionuclide.  ICRP publications also allow 
for the use of situation- and individual-specific data to reduce the overall uncertainty in the results.  Even 
though there may be conflicting data for some parameters, such as absorption factors, one can use 
conservative values and still reach conclusions on whether the dose is below recommended limits.  One of 
the strengths of the ICRP model is that it permits the use of experimentally determined material-specific 
absorption parameter values rather than requiring the use of those provided for default types.  If the 
material of interest does not have absorption parameter values that correspond to those in the model (e.g., 
Type F, M, or S), the difference can have a profound effect on the assessment of intake and dose from 
bioassay measurements.  This has been discussed in National Radiological Protection Board (NRPB) 
published reports on uranium (NRPB 2002). 
The ICRP (1994b, 1996a) developed a Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection, 
which contains respiratory tract deposition and clearance compartmental models for inhalation exposure 
that may be applied to particulate aerosols of plutonium compounds.  The ICRP (1986, 1990) has a 
biokinetic model for human oral exposure that applies to plutonium.  The National Council on Radiation 
Protection and Measurements (NCRP) has also developed a respiratory tract model for inhaled 
radionuclides (NCRP 1997).  At this time, the NCRP recommends the use of the ICRP model for 
calculating exposures for radiation workers and the general public.  Readers interested in this topic are 
referred to NCRP Report No. 125; Deposition, Retention and Dosimetry of Inhaled Radioactive 
Substances (NCRP 1997).  In the appendix to the report, NCRP provides the animal testing clearance data 
and equations fitting the data that supported the development of the human model for plutonium. 
Models of the pharmacokinetics of plutonium have been developed for humans (ICRP 1972, 1986, 1994a; 
Khokhryakov et al. 1994, 2000, 2005; Leggett 1985; Leggett et al. 2005), dogs (Mewhinney and Diel 
1983; Polig et al. 2000), rats (Durbin et al. 1972), and mice (Durbin et al. 1997).  Models of plutonium 

---

92 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
pharmacokinetics in humans that are currently being used for predicting internal exposures and radiation 
doses are described below. 
Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection (ICRP 1994b) 
Deposition. 
The ICRP (1994b) has developed a deposition model for behavior of aerosols and vapors 
in the respiratory tract.  It was developed to estimate the fractions of radioactivity in breathing air that are 
deposited in each anatomical region of the respiratory tract.  ICRP (1994b) provides inhalation dose 
coefficients that can be used to estimate radiation doses to organs and tissues throughout the body based 
on a unit intake of radioactive material.  The model applies to three levels of particle solubility, a wide 
range of particle sizes (approximately 0.0005–100 μm in diameter), and parameter values that can be 
adjusted for various segments of the population (e.g., sex, age, and level of physical exertion).  This 
model also allows one to evaluate the bounds of uncertainty in deposition estimates.  Uncertainties arise 
from natural biological variability among individuals and the need to interpret some experimental 
evidence that remains inconclusive.  It is applicable to particulate aerosols containing plutonium, but was 
developed for a wide variety of radionuclides and their chemical forms. 
The ICRP deposition model estimates the fraction of inhaled material initially retained in each 
compartment (see Figure 3-3).  The model was developed with five compartments:  (1) the anterior nasal 
passages (ET
1
); (2) all other extrathoracic airways (ET
2
) (posterior nasal passages, the naso- and 
oropharynx, and the larynx); (3) the bronchi (BB); (4) the bronchioles (bb); and (5) the alveolar 
interstitium (AI).  Particles deposited in each of the regions may be removed and redistributed either 
upward into the respiratory tree or to the lymphatic system and blood by different particle removal 
mechanisms. 
For extrathoracic deposition of particles, the model uses measured airway diameters and experimental 
data, where deposition is related to particle size and airflow parameters, and scales deposition for women 
and children from adult male data.  Similar to the extrathoracic region, experimental data served as the 
basis for lung (bronchi, bronchioles, and alveoli) aerosol transport and deposition.  A theoretical model of 
gas transport and particle deposition was used to interpret data and to predict deposition for compartments 
and subpopulations other than adult males.  Table 3-6 provides reference respiratory values for the 
general Caucasian population during various intensities of physical exertion. 

---