Elucidation of effects of propranolol and labetalol on sensitive and doxorubicin resistant mammary carcinoma cell lines at cellular and molecular level

Abstract

Metastasis and drug resistance are major challenges in breast cancer therapy. The repurposing of existing therapeutic agents offers a viable alternative to the lengthy and costly process of de novo drug discovery. This study investigated the anticancer potential and mechanisms of two commonly used β-blockers, propranolol (a first-generation non-selective beta-adrenergic receptor antagonist) and labetalol (a non-selective agent that blocks both β-adrenergic and α1-adrenergic receptors), on MCF-7 and drug resistant MCF-7/1000Dox breast cancer cell lines. Cell viability was determined by MTT and colony formation assays, while migration was assessed using wound healing analysis. Cell cycle and apoptosis were evaluated by flow cytometry, and molecular effects were identified through RNA-seq analysis. The results showed that both propranolol and labetalol caused a concentration-dependent decrease in the proliferation of both cell lines. Labetalol demonstrated higher cytotoxicity after 72 hours compared to 48 hours. Both drugs significantly reduced the colony-forming capacity of MCF-7 and MCF-7/1000Dox cells in a dose-dependent manner. Migration analyses revealed that propranolol and labetalol significantly inhibited the migratory ability of the cells, with high concentrations even causing cell detachment from the wound area. Propranolol induced apoptosis without causing a significant cell cycle arrest, whereas antiproliferative effect of labetalol effect was associated with a G2 phase cell cycle arrest. Both drugs effectively induced apoptosis in the cells. Furthermore, RNA-seq analysis revealed that propranolol treatment, a total of 31 genes were upregulated, and 54 genes were down regulated in MCF-7. Propranolol, 326 genes were upregulated and downregulation of 164 genes in MCF-7/1000Dox cells. Labetalol treatment, 286 and 62 genes were found to be upregulated in MCF-7 and MCF-7/1000Dox cells, respectively. RNA-seq analysis, propranolol downregulates the DHFR gene, potentially inhibiting nucleotide synthesis and overcoming drug resistance. Labetalol, up-regulation of the PDGFRA gene suggests that its anti-cancer effects may be linked to a complex compensatory mechanism. In conclusion, our findings demonstrate that propranolol and labetalol possess antiproliferative, pro-apoptotic, and antimigratory properties that extend beyond their known cardiovascular effects. The distinct mechanisms of action of these two drugs make them strong candidates for synergistic combination therapies with standard chemotherapeutics or with each other. This study provides data for the evaluation of repurposing of propranolol and labetalol as potential adjuvant therapeutic agents in breast cancer treatment. Meme kanseri tedavisindeki en büyük zorluklardan biri metastaz ve kemoterapiye karşı gelişen ilaç direncidir. Mevcut terapötik ajanların yeniden konumlandırılması yeni ilaç keşfi süreçlerinin uzunluğuna ve yüksek maliyetine bir alternatif sunmaktadır. Bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan beta-blokörler olan propranolol ve labetalolün, MCF-7 ve MCF-7/1000Dox hücre hatları üzerindeki anti-kanser potansiyeli ve etki mekanizmaları araştırılmıştır. Propranolol, birinci nesil seçici olmayan beta-adrenerjik reseptör antagonisti, labetalol, hem β-adrenerjik hem de α1-adrenerjik reseptörleri bloke eden non-selektif bir ajandır. Bu çalışmanın temel amacı, propranolol ve labetalolün meme kanseri hücreleri üzerindeki hücresel ve moleküler etkilerini kapsamlı bir şekilde incelemektir. Hücre canlılığı MTT ve koloni oluşumu analizleri ile belirlenirken, hücre göçü yara iyileşmesi analizi ile değerlendirildi. Hücre döngüsü ve apoptoz akış sitometrisi ile değerlendirildi ve ilaçların moleküler etkileri RNA-seq analizi ile belirlenmiştir. Propranolol ve labetalol, MCF-7 ve MCF7/1000Dox hücrelerinin proliferasyonunda konsantrasyona bağlı ancak farklı azalmaya neden olmuştur. Labetalol, 48 saate kıyasla 72 saat sonra daha yüksek sitotoksisite göstermiştir. Hem propranolol hem de labetalol, MCF-7 ve MCF-7/1000Dox hücrelerinin koloni oluşturma kapasitesinde belirgin ve konsantrasyon bağımlı azalmaya neden olmuştur. Yapılan migrasyon analizlerinde, propranolol ve labetalolün, hücrelerin göç yeteneğini önemli ölçüde azalttığı; yüksek konsantrasyonlarda ise hücrelerin oluşturulan yara alanından daha da uzaklaşmasına neden olduğu gözlenmiştir. Propranolol, hücre döngüsünde belirgin bir duraklamaya neden olmadan apoptozu indüklerken, labetalolün anti-proliferatif etkisi G2 fazında hücre döngüsü duraklamasıyla ilişkilendirilmiştir. Propranolol ve labetalol, hücrelerin apoptozunu indüklemiştir. Ayrıca, RNA-seq analizleri sonuçlarına göre propranolol uygulaması, MCF-7 hücrelerinde toplam 31 genin yukarı yönlü ve 54 genin aşağı yönlü düzenlediği bulunmuştur. MCF-7/1000Dox hücrelerinde ise propranolol 326 genin yukarı yönlü ve 164 genin aşağı yönlü düzenlediği bulunmuştur. Labetalol uygulaması, MCF-7 ve MCF-7/1000Dox hücrelerinde sırasıyla 286 ve 62 genin yukarı yönlü düzenlediği bulunmuştur. RNA-seq analizleri, propranololün DHFR genini aşağı yönlü düzenleyerek nükleotid sentezini baskılayabileceğini ve ilaç direncini kırma potansiyeli taşıdığı bulunmuştur. Labetalolün PDGFRA genini yukarı yönlü düzenlemesi, ilacın anti-kanser etkilerinin karmaşık bir telafi mekanizmasıyla ilişkili olabileceğini düşündürmektedir. Elde edilen veriler, propranolol ve labetalolün, bilinen kardiyovasküler etkilerinin ötesinde, anti-proliferatif, apoptotik ve migrasyonu engelleyen özelliklere sahip olduğunu kanıtlamaktadır. Bu iki ilacın farklı etki mekanizmaları, standart kemoterapötiklerle veya birbirleriyle sinerjik kombinasyon tedavilerinde kullanmak için güçlü adaylar haline getirmektedir. Bulgularımız, propranolol ve labetalolün meme kanseri tedavisinde potansiyel yardımcı terapötik ajanlar olarak yeniden konumlandırılması ile ilgili çalışmalara veri sunmaktadır.