虽然确切的病因还难以确定，但是在流行病学调查、肿瘤实验研究及临床观察等方面，甲状腺癌的发生可能与以下因素相关。
(1)放射性损伤用X线照射实验鼠甲状腺，可促使动物患甲状腺癌。结果表明131Ⅰ可引起甲状腺细胞代谢改变，核变形、甲状腺素合成大大降低。可以看出，一方面，放射线会引起甲状腺细胞的异常分裂，导致癌变；另一方面，它破坏了甲状腺而不能产生内分泌素，从而导致促甲状腺激素(TSH)大量分泌，也可以促进甲状腺细胞癌变。
从临床来看，大量证据表明放射线与甲状腺的作用有关。尤其值得注意的是，在幼年阶段，由于胸腺增大或淋巴腺样增生而接受上纵隔或颈部放疗的儿童在幼年时期尤其容易发生甲状腺癌，这是因为儿童和青少年细胞增殖旺盛，放射线也会导致肿瘤形成。而在接受颈部放疗后，成人更易发生甲状腺癌。
(2)碘与TSH摄碘量过高或缺碘都可能导致甲状腺结构和功能发生变化。例如，在瑞士地方性甲状腺肿流行地区，甲状腺癌发生率是2‰，比柏林等非流行地区高20倍。与此相反，高碘饮食也容易诱发甲状腺癌，冰岛和日本是碘摄入多的，且甲状腺癌发病率高于其他。TSH对甲状腺增生症有一定的刺激作用。结果表明，长期TSH刺激可促进甲状腺增生，形成结节及癌变。
(3)临床上发现甲状腺癌、慢性甲状腺炎、结节性甲状腺肿或某些毒性甲状腺肿都有可能发生癌变，但它们与甲状腺癌的关系还难以确定。就拿甲状腺腺瘤来说，甲状腺腺瘤绝大多数是滤泡型，其中2~5%是乳头状瘤，如果甲状腺癌由腺瘤转化而成，那么甲状腺癌应该是滤泡型，而事实上，甲状腺癌有一半以上是服头状癌，所以推测甲状腺腺瘤癌变的发生率也很小。
(4)大约5~10%的甲状腺髓样癌有明显的家族史，且常合并有嗜铬细胞瘤等，推测此类癌的发生可能与染色体遗传因素有关。
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