具体的确切病因目前还不确定，但从疫情病学调查、肿瘤实验研究和临床观察，甲状腺癌的发生可能与以下因素有关。
(1)遗传因素
约5~10%的甲状腺髓样癌有明显的家族史，而且经常合并闰铬细胞瘤等，推测这种癌的发生可能与染色体遗传因素有关。
(2)碘和TSH
碘摄取过多或碘不足可改变甲状腺的结构和功能。瑞士地方性甲状腺肿瘤流行区甲状腺癌发病率为2ermil，比柏林等非流行高20倍。相反，高碘饮食也容易诱发甲状腺癌，冰岛和日本是碘摄取量最高的国家，甲状腺癌的发现率比其他国家高。这可能与TSH刺激甲状腺增生的因素有关。实验证明，长期的TSH刺激可以促进甲状腺增生，形成结节和癌变。
(3)其他
甲状腺病变临床上有甲状腺癌、慢性甲状腺炎、结节性甲状腺肿或毒性甲状腺肿发生癌变的报道，但这些甲状腺病变与甲状腺癌的关系尚不确定。以甲状腺肿瘤为例，甲状腺肿瘤多为过滤型，仅2~5%为乳头肿瘤的甲状腺癌由腺肿瘤变化而成，大多为过滤型，但实际上甲状腺癌的一半以上为头状癌，甲状腺肿瘤癌变化的发生率也很小。
(4)放射性损伤
用x射线照射实验鼠的甲状腺，可以促进动物发生甲状腺癌。实验证明，131I改变甲状腺细胞代谢，细胞核变形，甲状腺素合成大幅减少。放射线一方面引起甲状腺细胞异常分裂，引起癌变，另一方面破坏甲状腺不能产生内分泌素，促进甲状腺激素(TSH)的大量分泌也促进甲状腺细胞癌变。
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