長期服用藥理劑量的維生素D，不論在成年人或兒童都可引起中毒。維生素D在血漿中的存留時間相當長，大劑量使用後，能使幾年內血漿維生素D的含量都維持在高的水平上。不同個體對維生素D的敏感性差別很大，敏感的人，即使服用較低劑量的維生素D也可能發生中毒。
維生素D中毒的症狀和表現主要是高鈣血症及由此引起的腎功能損害及軟組織鈣化等。臨床表現包括：食慾減退、無力、心搏徐緩 、心律紊亂、噁心、嘔吐、煩渴、便秘、多尿等。長期維生素D過多時，高鈣血症可使動脈發生粥樣硬化，並有廣泛性的軟組織鈣化和不同程度的腎功能損傷。嚴重的維生素D中毒可以導致死亡。
高鈣血症的持續時間比血鈣升高的程度對腎臟有更大的影響。高鈣血症對腎臟的影響：①抑制垂體後葉加壓素對腎遠曲小管的作用，使腎臟濃縮尿的機能受損害，導致多尿；②腎小管中磷酸鈣沉積，發生鈣化性腎功能不全(nephricalcinosis)；③腎小管對腎小球濾出液中鈣的重吸收減少；④抑制近曲小管和亨利襻對鈉離子的重吸收；⑤腎小管對鎂的重吸收減少；⑥尿鉀排出量增加，發生低鉀血症(hypokalcemia)； ⑦腎小管上皮細胞發生退行性變和壞死，脫落的鈣化上皮細胞可使管腔發生栓塞，導致腎水腫和腎盂積水，引起繼發性尿道感染、慢性腎盂腎炎(pyelonephritis)、腎硬化(nephrosclerosis ) 及腎性高血壓。
發生氮血症(azoteimia)的患者多尿，並有尿毒症症狀。當血清鈣降低到正常水平時，氮血症症狀也明顯好轉 。
維生素D攝入量與血脂的含量也有關係，文獻報導：維生素D能促使健康人血脂升高，曾有人觀察到60歲以上的老年人血清甘油三酯與鈣濃度呈負相關，也有人報告長期大劑量使用維生素D，能使血清膽固醇增高，血壓上升。維生素D的攝入量與冠心病的死亡率也有關係。
嬰兒高鈣血症(infantile hypercalcemia)可因母體攝入過多維生素D而引起，在廣泛使用各種維生素D強化食品的情況下，發病率有明顯升高，因此已有建議：食物添加維生素D應僅限於按規定標準強化牛奶。但也有人認為這種病的發生可能與遺傳因素影響，機體維生素D過敏有關。
嬰兒高鈣血症的表現與血鈣的濃度有關，血鈣不很高的兒童往往在出生3～7個月後突然發病，血鈣逐漸升高，在沒有特殊治療的情況下，病情可以有反覆，其預後一般良好，但也有在急性高血鈣期死亡者。妊娠期子宮內的胎兒也可發生高鈣血症，出生時體重小，心臟常有收縮期雜音，嚴重者並有智力發育不良及骨硬化(ostisclerosis)等現象，心血管和腎臟的缺陷很少能夠得到恢復，其預後不良，有相當數量的病兒死於新生兒期。
維生素D中毒的機理現在還不很清楚。正常情況下，維生素D的代謝和血清鈣、磷濃度的變化有一系列的反饋調節，所以一般不致使人中毒，有人認為服用大劑量維生素D時，可能與血漿蛋白結合有變化，由於維生素D及其代謝物在血中過飽和，使機體中毒；有人認為過量的維生素D的使氧化磷酸化發生脫偶聯，是機體中毒的原因；Coburr,Brautbar等指出：肝臟和腎臟功能正常的人發生維生素D中毒時，血中25-（OH）D3 有明顯的升高（常達500～570ng·ml-1），而1，25-（OH）2D3 正常或僅略有增加。而腎功能不全的人，1，25-（OH）2D3 生成障礙，血中的含量減少，仍能產生維生素D中毒的高鈣血症。因此，維生素D中毒時的高鈣血症不像是1，25-（OH）2D3 增加所引起的，25-（OH）D3 與高鈣血症的關係似更密切。體外實驗也證明當血漿25-（OH）D3 濃度急驟升高時，骨鈣的釋出顯著增加。從這些資料來看，維生素D中毒的發生可能與肝臟維生素D-25-羥化酶系統調節機能的變化有關。
維生素D中毒的防治：①立即停止使用維生素D，並限制鈣的攝入；②必要時使用糖皮質激素（強的松龍prednisolone，1～3 mg·kd-1）以阻斷維生素D對腸的作用，降低血鈣；③肌肉注射降鈣素或使用二磷酸鹽；④補充水份。
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