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哺乳动物成熟甲状腺起源于两个不同胚胎学结构，因此腺体具双重内分泌功能。生成甲状腺球蛋白的滤泡细胞起源于原咽（甲状腺原基）内胚层的一小群细胞；生成降钙素的滤泡旁细胞是后鳃体神经嵴起源细胞。后鳃体起源于第四咽窝的一过性胚胎结构。甲状腺原基和后鳃体从原始位置移行至气管前，融合成定义中的甲状腺。甲状腺滤泡起源于甲状腺原基细胞，而C细胞则分散在滤泡间隙内。早期个体发育中甲状腺在基础水平上发挥功能；紧接着，下丘脑核群分化和垂体-门脉系统组织结构形成促进甲状腺系统功能的成熟发育。
甲状腺器官形成的相关数据不足，许多模型基于陈旧报告。广泛研究的甲状腺形态发生和分化的动物模型主要是大鼠与小鼠。研究伴甲状腺发育不良的先天性甲状腺减退患者，发现人类和小鼠甲状腺器官形成均涉及标志性基因的表达。脊椎动物中广泛保留甲状腺形成和滤泡细胞分化所涉及的分子途径。图3-1详细描述小鼠甲状腺形态学和分子方面的发展，这些数据可以合理地应用于人类研究中。
图3-1 甲状腺胚胎发育模式图
原肠胚的形成改变胚胎整体结构，将其转换成复杂的三维结构。前、后内胚层内陷，形成两个可延伸和融合的小窝，沿前后轴形成胚胎原始肠管。前肠是原始肠管最前端部分。前肠内胚层产生许多细胞谱系，形成包括甲状腺、胸腺、肺、胃、肝脏和胰腺等上皮成分。肠管起源产生的所有器官都经历相似过程，首先，特定细胞族群从邻近组织分化，此过程可通过特定分子标志物（常为转录因子）和几乎同步的多层结构进行可视化观察；随后，根据器官种类进行增殖，分支形态和（或）迁移过程，或经历上述所有过程。最后，每个器官形成与功能相关的（如甲状腺形成滤泡组织）特定的细胞组织。
小鼠（妊娠第19.5天）甲状腺特化的首要标志是检测到单层细胞（甲状腺原基）从周围上皮分化，同时表达NKX2-1/TTF1、PAX8转录因子，并在胚胎第8～8.5天表达HHEX。甲状腺特化的形态发生表现为原咽腹壁侧中线处内胚层增厚，出现甲状腺基板（小鼠E9～E9.5；人类E22） [1] 。甲状腺基板在第一咽弓尾部形成单节结。此时甲状腺基板细胞同步表达4种转录因子：HHEX、NKX2-1/TTF1、PAX8和FOXE1 [2] 。这些特殊分子信号标记此类细胞，也叫作“pTFCs”（甲状腺滤泡细胞前体），包括所有发育中仍未合成甲状腺激素的甲状腺细胞。普遍认为甲状腺滤泡细胞起源于甲状腺原基内胚层细胞，此假设最近被正式用于斑马鱼家系研究中。
所有前肠形成相关基因，如Gata家族的Nodal基因或Sox基因，均参与甲状腺特化过程。斑马鱼Nodal信号需内胚层特化，似乎参与甲状腺发生。迄今为止，尚无报告揭示细胞命运图或阐明转基因小鼠甲状腺早期特化步骤。事实上，参与小鼠胚胎前肠形态的基因失活，该阶段甲状腺原基的发育停滞。信号损伤时内胚层细胞形成还原肠组织，而非甲状腺。消除Nodal信号通路的辅助受体的活性，发现包括甲状腺在内的肠管等不成形，缺少Nodal的下行效应物Gata5，内胚层细胞形成还原肠组织但不形成甲状腺。然而，这些影响甲状腺发育的机制似乎专属鱼类，因为小鼠胚胎中既没有Gata5也没有Sox17（被Gata5控制的基因） [3] 。
据报道，邻近内胚层的心脏组织信号具有诱导肝脏、胰腺和肺特化作用 [4] 。内胚层细胞由于从间质或相邻的中胚层得到诱导信号，可得到甲状腺命运的结局。研究发现，小鼠甲状腺发育时，最早可识别的是E8.5的甲状腺原基，出现在靠近主动脉囊的位置，处于心脏区域，产生胚胎心脏血液流出和咽动脉。观察表明，来源于心脏中胚层或主动脉囊内皮层的短距离诱导信号，对未分化内胚层细胞产生甲状腺命运的结局。事实上，改变小鼠前肠结构可诱导心脏发育受损，心脏畸形最常伴随的出生缺陷是人类TD和DiGeorge综合征（先天性甲状腺功能减退和先天性心脏缺陷的风险增加） [5] 。
从斑马鱼和其他物种获取的数据表明，外因子控制甲状腺特化。斑马鱼中也发现甲状腺原基和主动脉囊的紧密关系。该物种中，缺少近甲状腺初始发育位置的心脏中胚层bHLH转录因子Hand2的表达，内胚层表现正常但未出现甲状腺前体细胞。实验报告明显表明，Hand2在甲状腺特化过程中起到非细胞自发性的功能，成纤维细胞生长因子8 （FGF8）参与此过程。
其他物种中甲状腺特化成纤维细胞生长因子信号的作用也在研究。鸡卵中，成纤维细胞生长因子4参与内胚层沿前后轴生长过程。此外，晚期阶段成纤维细胞生长因子抑制HHEX的NKX2-1/TTF1在腹前肠的表达。已证明小鼠甲状腺发育需要成纤维细胞生长因子信号，但这些因子的作用尚未被论证。
小鼠E9.5时，甲状腺基板首先呈现出多层上皮，紧接着出芽，外翻形成咽部基板，侵入周围间叶细胞成为近主动脉囊的内胚层。其他内胚层器官与甲状腺发育方向相近，发育成特定细胞，随后假复层上皮细胞最终形成小芽。
小鼠E10.5时甲状腺小芽表现为烧瓶样结构，即甲状舌管通过一条细细的索条连接咽部基底形成一过性的狭小通道。1天后，可见帽状甲状腺小芽结构从尾部移行到间质，与咽部基底失去一切连接。此阶段，发育中的甲状腺向侧面扩张，完成形成两侧叶形态的第一步。小鼠E12.5时甲状腺始基呈现细长结构，向侧面延伸，与第三咽弓动脉（参与颈动脉形成）连接。小鼠E13时甲状腺小芽继续下行进入间质接近后鳃体，完成向腹尾侧第四咽窝的移行。小鼠E13.5时发育甲状腺已基本形成中心细小部分相连的退化的两叶，到达气管前，融入神经嵴起源的C细胞前体发育的后鳃体中。人类胚胎甲状腺原基发育的早期阶段表现为E26时小芽侵入间质，几天内原基迁移，连接到E37时消失的甲状舌管咽。在此期间，甲状腺小芽转变为双叶状。发育中的甲状腺与后鳃体第6周融合，并在第7周到达气管前。小鼠体内甲状腺滤泡细胞前体转位到近喉部位置的过程约持续4d，人类胚胎大约需4周。甲状腺的最终位置较其原始特化位置较远，而易位多涉及前体的活性迁移。发生于颈部的其他形态生成事件和周围间质重塑有助于甲状腺移至确切位置。转录因子如HHEX、PAX8、NKX2-1/TTF1的表达并非移位的必要条件，甲状腺小芽中FOXE1因子的出现促使细胞移动 [2, 6] 。胚胎形成的过程中多涉及细胞移位，迁移细胞失去上皮表型获得间质细胞的特点。该现象叫作上皮-间质过渡，由N-钙黏素表达增加，E-钙黏素下调进行调控。整个移位过程中，甲状腺滤泡细胞前体维持其上皮表型（E-钙黏素持续表达），并未获得间质特点。
当腺体到达最终位置时，气管旁的两叶扩张，E15～E16时甲状腺呈现其特定形状。甲状腺器官生成最后阶段，腺体体积增大。甲状腺发育与第三咽弓动脉相关，参与邻近成熟甲状腺侧叶的颈动脉血管形成。指导非细胞自主分叶的信号来源于邻近血管或调节血管形成的因子。动物模型的研究证明了该假说，缺乏Shh（胚胎形成的重要调节物）或Tbx1（由Shh自身调节的因子） [5] 小鼠发育中甲状腺邻近血管受到形态破坏。突变胚胎中，由于缺少尾部咽弓动脉，甲状腺小芽与血管无联系，不能分裂成两独立的侧叶，始终为单一组织团块。
当甲状腺始基到达喉旁位置时，甲状腺滤泡细胞前体完成其功能性分化。但甲状腺滤泡细胞到达气管前并非其功能性分化的必备条件，人类患者和突变小鼠中，异位、舌下甲状腺也表达甲状腺球蛋白。其功能性分化由一系列甲状腺激素合成必需蛋白的表达所标记，如甲状腺球蛋白（Tg）、甲状腺过氧化物酶（TPO）、促甲状腺激素受体（TSHR）、钠-碘同向转运体（NIS）、甲状腺NADPH氧化酶（Duox）等。E14～E16.5时，甲状腺始基分化形成可释放激素的功能性甲状腺。Tg和促甲状腺激素在E14时表达；参与Tg碘化过程的两种关键酶，甲状腺过氧化酶和钠-碘同向转运体，在其后一天出现，可能与它们的表达完全依靠促甲状腺激素与其受体（TSHR）活化结合的途径有关。Duox在E15.5时出现，甲状腺素在E16.5时最后出现。人类甲状腺分化的分子机制与小鼠相似。甲状腺滤泡细胞功能性分化需3周左右。发育中的甲状腺到达气管前部后，E48时甲状腺滤泡细胞表达Tg和TSHR，可在第10周检测到T 4 合成 [7] 。
促甲状腺激素与受体结合调节出生后甲状腺多种功能的信号通路。小鼠胚胎中，E14～E14.5时在甲状腺滤泡细胞前体中检出TSHR [8] ，此时发育中的甲状腺到达其最终位置并表达Tg。在其后的发育过程中，TSHR表达增加并在成人中持续表达。携带TSHR突变基因的小鼠胚胎可解释促甲状腺激素/促甲状腺激素受体信号的作用。成熟小鼠TSHRhyt/hyt（在TSHR基因中携带失去功能的变异）和TSHR-/-都表现出伴甲状腺发育不良的严重甲状腺功能减退（甲减）。发育中的胚胎甲状腺缺少TSHR功能，不表现出体积或组织结构的改变，而TPO mRNA和NIS的表达被严重影响。因此完成甲状腺滤泡细胞的分化过程需要TSH/TSHR信号。促甲状腺激素诱导的cAMP不参与控制胚胎腺体生长过程，但参与成人甲状腺生长发育的主要调节过程。值得注意的是，小鼠和人类胚胎中甲状腺的生长似乎颇为不同；在人类中，TSH/TSHR信号对胎儿甲状腺发育的影响至关重要。
功能性分化的同时，甲状腺形成其特殊的组织学结构。E15.5时，甲状腺滤泡细胞形成基本的小滤泡。E16.5时，腺体表现为明显滤泡结构，E17～E18期间，甲状腺实质被分割成小滤泡，由毛细血管网围绕，其腔隙内蕴含着Tg。出生时，甲状腺可合成、释放甲状腺激素，出生后充分激活生长调节及下丘脑-垂体轴功能 [9] 。
人类建立典型的组织学结构需数周，分3期：胶质前期、胶质生成期和滤泡生成期，分别在妊娠期第7～10周、第10～11周和第11周后。胶质前期，细胞内小微管将胶质物质聚集成形。这些小微管扩大同时胶质组织自身移至细胞外间隙。最后阶段，原始滤泡清晰可见，胎儿甲状腺浓缩碘并合成甲状腺激素。
多年来，假设围绕滤泡细胞的基质成分具有诱导滤泡形成的作用，发现甲状腺被囊中成纤维细胞共培养及发育中鸡甲状腺滤泡细胞体外移植得到合适的组织学结构 [10] 。转基因小鼠模型为基因途径控制组织结构发生提供了观察结果。滤泡形成需要完全活化的NKX2-1，甲状腺正常结构会因滤泡细胞缺少NKX2-1而受到破坏。同理，缺少NKX2-1亚等位基因的磷酸化不能使甲状腺滤泡细胞发育成正确的组织结构。
实验 [11] 表明甲状腺上皮细胞和血管内皮细胞协同作用参与甲状腺滤泡形成。小鼠特异性失活甲状腺血管内皮生长因子A（VEGF-A）表现为血管密度严重降低，甲状腺表现为无极性的多层团块细胞。体内实验表明，内皮细胞的旁分泌信号能够诱导滤泡正常合成 [11] 。因此，细胞自主和非自主作用协同合作共同完成甲状腺功能性形态结构发育。
脊椎动物产降钙素细胞起源于后鳃体，后鳃体是除胎盘哺乳动物外所有脊椎动物中特定的器官，是加入胚胎甲状腺小芽内侧的一过性结构。E10时小鼠第四咽窝初现形态，原始前肠向外伸展，表达胰岛细胞转录因子1（ISLl）和蛋白基因产物（PGP）9.5 [12-13] 。随后第四咽窝尾部发育，E11.5时可见第四咽鳃导管折断形成UBB始基，即HES1、ISL1、PGP 9.5和NKX2-1/TTF1同时标记由柱状上皮连接的卵圆形小囊和管腔 [12, 14] 。E11.5时UBB原基迁移，E13时表现为与甲状腺原基中线连接的固体细胞团块。E14.5时UBB细胞在甲状腺实质中分裂，1天后其残余物仅甲状腺中可见。C细胞分化需经历一系列蛋白质表达的过程，E12.5时表达基础的螺旋-环-螺旋转录因子Mash1; E14.5时表达神经元标志物TuJ1、CGRP和生长抑素；1天后，Mash1表达停止，可在滤泡细胞中检测到产降钙素细胞。甲状腺形态生成的末期，ISL1表达下降而产降钙素细胞的数量逐渐增多 [12- 13] 。
人类后鳃体发育与小鼠相似。E24时后鳃体原基腹侧第四咽窝内容物外翻。此阶段中，同处第四咽窝的甲状旁腺Ⅳ原基背侧外翻。某些学者将偶现的第五咽窝归因于内胚层来源的后鳃体，可能因后鳃体原基表现为一不完全咽窝，才会这样理解。E35时，腹侧外展形成与咽部相连呈长颈烧瓶样形状；几天后，后鳃体原基切断与咽喉的联系并开始移动；E40时，移至甲状腺中后侧。连接层分隔两小芽，呈现不同的组织学结构，外侧小芽由致密细胞团块组成，内侧小芽由相互连接的薄层上皮组成。最后，E55时，后鳃体与甲状腺侧叶合并。
一系列内外因子参与控制UBB的发育与融合。细胞自主机制中NKX2-1/TTF1在UBB细胞生存中起到不可或缺的作用 [14] 。NKX2-1/TTF1的作用具剂量敏感性。在NKX2-1/TTF1+/-小鼠中确实出现UBB和甲状腺盲端的异常融合。UBB细胞与甲状腺实质不完全融合，侧叶尾部有少量残存 [14] 。UBB细胞融合需要HES1基因，在E11.5时表达一种转录抑制物。缺少HES1时，虽生成UBB，但表现为发育不良，并且与发育中的甲状腺内侧的融合延迟3d。咽部间质表达的信号影响包括甲状腺和UBB在内的内胚层器官的形态生成。咽部间质细胞起源于颅内神经嵴细胞，早期位于咽弓和咽窝处。因此改变参与颅内神经嵴存活、迁移或分化的基因可损伤UBB和（或）其与甲状腺的融合。
报告表明，携带Hoxa3旁系同源变异基因的小鼠缺少UBB，影响胚胎沿主轴发育及部分结构的形态生成。Hoxa3存在于咽部、发育中的甲状腺、间质及第四咽弓中神经嵴来源的细胞 [15] 。无Hoxa3的小鼠中神经嵴细胞迁移不受破坏，C细胞正常分化，但数量大幅减少；后鳃体与甲状腺小芽大多融合失败，仅保留富含降钙素生成细胞（恒定的后鳃体）的双侧小泡。甲状腺畸形 [15] 包括：完全/部分发育不良、滤泡细胞数量不足、峡部缺失。携带大量包括Hoxa3和其旁系同源Hoxb3和Hoxd3多种联合变异的小鼠畸形更为严重。学者普遍认为，甲状腺器官异常继发于后鳃体缺失。
缺少中胚层来源的依附性Tbx1信号，甲状腺呈发育不良的单组织团块 [5] 。值得注意的是，在部分DiGeorge综合征患者中检测到甲状腺功能减退，很可能伴Tbx1基因单倍剂量不足。Tbx1信号由FGF8执行，围绕甲状腺在间质中表达。
普遍认为C细胞前体来源于神经嵴细胞，早期位于第四咽窝腹侧。最初使用小鸡-鹌鹑嵌合体模型，进行鸟类C细胞个体发育和分化的研究。分析表明，鸟类C细胞来源于神经嵴移行UBB。神经嵴细胞最早位于神经外胚层与非神经外胚层交界处。细胞经历上皮-间质移行，从神经管脱层，移行至各区域并分化成多种细胞类型。鸟类C细胞前体起源于神经嵴迷走区域，也能产生肠能神经元，两者存在相似的生化、形态特点。鸟类后鳃体与甲状腺隐窝不融合并保持为独立腺体。然而哺乳动物中，甲状腺始基和UBB融合形成定义中的甲状腺。小鼠实验表明，E9～E9.5时C细胞前体位于第四咽窝，1天后到达咽窝内胚层。然而，并无证据表明此类细胞来源于神经嵴。
前体C细胞中Mash1参与自主神经元的分化，该基因表达后出现神经元基因（如TuJ1、CGRP、生长抑素） [12-13] 。观察得知无Mash1变异的小鼠缺少甲状腺C细胞，可推测该基因与C细胞分化的关系 [13] 。这些变异小鼠的UBB正常合成、迁移，但前体C细胞在分化前就已退化。