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甲状腺滤泡是甲状腺的基本结构和功能单位，甲状腺腺体是由球状的滤泡紧密堆积而成 [5] 。滤泡大小不一，同一腺体内滤泡直径相差也很大，平均直径约为200μm。滤泡由单层上皮细胞，即由甲状腺滤泡上皮细胞（Thyroid Follicular Cells, TFCs）组成，周围有滤泡间细胞外基质和毛细血管网，其围绕形成密闭腔，腔内充满澄清的蛋白质胶体，胶质呈均质状，HE染色呈粉红色，染色的深浅与胶质的浓稠程度相关。胶质实际上是滤泡上皮细胞分泌的甲状腺球蛋白，PAS反应阳性。甲状腺滤泡细胞是甲状腺中最大细胞群，负责甲状腺激素的合成。光学显微镜下，甲状腺滤泡细胞胞浆嗜中性，滤泡上皮细胞和胶质之间可有浅染的空泡，可能是胶质被滤泡上皮细胞吸收后所致。外周为一层排列较整齐的上皮细胞，称为甲状腺滤泡上皮细胞（图2-3）。滤泡上皮细胞通常为立方形，高约15μm。细胞核呈圆形，染色浅，位于细胞中央。滤泡细胞的高度随甲状腺功能状态而变化。活化时呈柱状，滤泡腔内胶质减少。非活化时为立方体状，滤泡腔内胶质增多。滤泡上皮位于富含糖蛋白的基膜上，基膜分隔滤泡细胞与周围毛细血管。由间隔结缔组织将每20～40个滤泡构成一个小叶，由单独的动脉供血。某些特殊小叶的功能可能与周围的小叶不同。
图2-3 甲状腺滤泡
滤泡上皮细胞周围有完整的基底膜、少量结缔组织和丰富的有孔毛细血管。基底膜介于滤泡细胞与微血管之间，由黏多糖组成，有3层。内层与滤泡上皮细胞底部的细胞膜相接，外层与微血管内皮相接，内、外层之间为一亮的区域。微血管内皮细胞有的部位极薄，形成直径约45nm的小孔，使得血浆与基底膜直接接触，有利于物质的自由弥散。
电子显微镜下，甲状腺滤泡细胞积极地参与蛋白合成，主要的细胞器是粗面内质网和高尔基体。细胞质顶端或近顶端处有一些囊泡。较小的囊泡（150～200nm）是含有新合成的甲状腺球蛋白的胞吐囊泡。这些囊泡与顶端质膜融合将甲状腺球蛋白递送到滤泡腔中。较大的囊泡（500～4000nm）吸收储存在滤泡腔中的碘化甲状腺球蛋白，形成黏稠的胶质滴（Colloid Droplets）。胶质的重吸收涉及大胞饮机制，第一步在顶端形成伪足。伪足靠近后将一部分胶质内化到细胞中。
分子水平上，细胞功能有赖于特定蛋白质和相应的mRNA，可以通过其存在确认为滤泡细胞。这些蛋白质中，甲状腺球蛋白和甲状腺过氧化物酶是标志性的，只能在甲状腺滤泡细胞中检测到。甲状腺滤泡细胞中高表达的其他蛋白质，如TSHR、NIS、Pendrin和Duox/DuoxA复合物，也存在于其他组织中。甲状腺滤泡中甲状腺激素合成所需的基因，看起来是该细胞类型特有的转录因子的融合，包括NKX2-1（也称为TTF1、TITF1和T/EBP）、PAX8和FOXE1。
滤泡细胞的特征是有极性。细胞表面被分为两个功能不同的区域：面向滤泡腔的顶端结构域、朝向细胞外基质的基底外侧结构域。顶端结构域的特点是存在顶端微绒毛、伪足、甲状腺过氧化物酶、Na + 或Cl - 通道 [6] Pendrin蛋白 [7] 和Duox [8] 。基底外侧结构域的特点为表达NIS [9] 、Na + -K + -ATP酶 [10] 、EGF、TSH受体 [11] 。甲状腺激素的合成需要基底向顶端转运碘和甲状腺球蛋白；相反，激素分泌过程是从顶端向基底运输甲状腺球蛋白。此外，滤泡有条件完成激素合成所需的生化步骤：蛋白质的分泌；蛋白质的重吸收和水解；通过内分泌将激素释放入血。
滤泡中，甲状腺细胞在滤泡外和滤泡腔之间形成了屏障。紧密的屏障能促进细胞极化，保证转运有效进行，防止被动反向扩散。紧密连接、黏附连接和桥粒组成的连接复合物形成牢固的细胞间连接。所有这些黏附结构呈现相同的整体结构，黏附性跨膜蛋白通过胞质衔接蛋白连接到细胞骨架。靠近细胞顶端的紧密连接将细胞连接在一起。紧密连接控制细胞外渗透性，确定滤泡质膜顶端和基底外侧结构域之间的边界。负责细胞间连接的蛋白构成复杂的吻合网络。紧密连接中的主要跨膜蛋白是闭合蛋白和紧密连接蛋白。这些蛋白质的胞质部分与细胞内外周膜蛋白如ZO-1和ZO-2 [12] 相互作用，将紧密连接与微丝相连。微管也可以通过细胞骨架相关蛋白 [13] （如扣带蛋白、7H6抗原和肌动蛋白）连接到紧密连接。
锚定连接将细胞骨架与其相邻细胞骨架或细胞外基质相连。上皮黏附连接（Epithelial Adherens Junctions）是一种锚定连接，位于紧密连接下面。这些连接由属于钙黏蛋白家族（钙黏素和跨膜Ca 2+ 依赖性黏附分子）的跨膜黏附蛋白形成。在甲状腺及其他上皮组织中，E-钙黏蛋白在黏附连接中积累，并在诱导形成邻近细胞间的同嗜性接触中发挥重要作用。E-钙黏蛋白与细胞内锚蛋白（连环蛋白）相连，转而结合肌动蛋白细胞骨架。连环蛋白参与细胞内信号传导通路，形成了将物理连接与细胞内信号传导相连的功能桥。上皮中的第三种连接为染色体连接，是另一种类型的锚定连接，位于黏附连接下方的质膜上。在染色体连接中发现的跨膜蛋白是桥粒芯蛋白（Desmogleins）和桥粒胶蛋白（Desmocollins），它们是钙黏蛋白超家族的成员。这些黏附蛋白的细胞质尾部与细胞内蛋白质（盘状球蛋白、桥粒蛋白）结合，进而结合中间细胞骨架丝。这些蛋白间相互作用，在整个组织中形成使不同细胞间相连的网络。上皮中的滤泡细胞通过间隙连接沟通 [14] 。间隙连接由通道形成蛋白（连接蛋白）组成。它们形成的通道允许无机离子和小的水溶性分子直接从一个细胞的细胞质传递到另一个，使细胞通过电和代谢途径连接。
猪甲状腺滤泡细胞的原代培养提供了理解滤泡生成机制的体外模型。新鲜离体的猪甲状腺滤泡细胞，培养在无TSH的条件下会瞬间聚集 [15] 。培养于TSH的环境中，这些细胞集合上皮连接，极化，形成卵泡样结构，细胞的顶极围成一个腔。体外滤泡生成的第一步，也是必要步骤，是由E-钙黏蛋白介导的细胞聚集。培养的最初几个小时，E-钙黏蛋白在细胞外表面表达增加，E-钙黏蛋白和黏着连接在近顶端区蓄积 [16] 。细胞表面分化的起始标志是蛋白质ZO-1和Na + -K + -ATP酶的再分布：ZO-1聚集在细胞的未来极点附近，ATP酶聚集在基底外侧细胞表面 [16] 。这个阶段可在细胞内空泡中检测到顶端结构域相关蛋白，空泡随后在新生的顶端与细胞表面融合。滤泡腔的生成分为两步，都是甲状腺细胞极化的结果。第一步由顶端细胞表面黏附性不足触发。第二步需要控制滤泡大小，由离子双向转运系统驱动，该系统从基底至顶端方向分泌Cl - ，由顶端向基底方向吸收Na +[5] 。
培养的猪甲状腺细胞中卵泡样结构的形成和维持取决于TSH。在缺乏TSH或cAMP刺激的情况下，滤泡形态转化，甲状腺细胞分散，形成单层上皮 [17] 。ERK （Extracellular Signal-Regulated Kinases）途径的激活参与这种转化。TSH通过其第二信使cAMP，抑制ERK激活和上皮转化 [18] 。此外，维持滤泡结构的其他步骤也有赖于TSH调节 [19] 。cAMP / PKA的兴奋维持E-钙黏蛋白依赖性细胞间粘连的稳定，并抑制血小板反应蛋白1（Thrombospodin 1）的生成，从而抑制紧密连接和黏着连接的解离，血小板反应蛋白1是一种对细胞间黏着起负向调节作用的细胞基质蛋白 [20] 。此外，TSH下调TGFβ1 [21] 表达，导致上皮不能极化 [22] 。由于Cl - 通道受cAMP调节 [23] , TSH也可以控制滤泡腔生成。体外研究滤泡生成的局限性是，数据不能直接外推于在体滤泡。如果没有培养在含细胞外基质蛋白的凝胶中，大鼠滤泡的极性是相反的，并且在功能特性上有显著变化 [24] 。此外，TSH不是在体生成滤泡所必需的，因为TSH / TSHR信号通路受损的突变小鼠，其滤泡生成不受影响。此外，甲状腺滤泡被基底层包绕，并且在碘摄取改变时毗邻的毛细血管被重塑，这些现象在培养的滤泡中不存在。因为微血管在甲状腺稳态中起着关键作用 [25] ，有人提议将血管滤泡单位（The Angiofollicular Unit, AFU）作为甲状腺功能和形态学单位，AFU由甲状腺滤泡细胞和毛细血管组成 [26] 。几天后在上皮细胞可见碘缺乏导致内皮细胞的形态学变化，与甲状腺上皮细胞释放血管内皮生长因子（Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF）有关 [27] 。因此，甲状腺激素合成受滤泡细胞稳态过程和血管可塑性控制，反过来受延迟期血浆TSH水平的控制 [27] 。即使AFU能够同时对致甲状腺肿因子做出反应，它们也不能工作一致，而是表现各自的功能，使腺体适应快速变化的生理条件 [26] 。