Major determining factors for survival of patients with oral, oropharyngeal, and esophageal cancer are early detection, the quality of surgical margins, and the contemporaneous detection of residual tumor. Intuitively, the exposed location at the epithelial surface qualifies these tumor types for utilization of visual aids to assist in discriminating tumor from healthy surrounding tissue. Here, we explored the DNA repair enzyme PARP1 as imaging biomarker and conducted optical imaging in animal models, human tissues and as part of a first-in-human clinical trial. Our data suggests that PARP1 is a quantitative biomarker for oral, oropharyngeal, and esophageal cancer and can be visualized with PARPi-FL, a fluorescently labeled small molecule contrast agent for topical or intravenous delivery. We show feasibility of PARPi-FL-assisted tumor detection in esophageal cancer, oropharyngeal and oral cancer. We developed a contemporaneous PARPi-FL topical staining protocol for human biospecimens. Using fresh oral cancer tissues within 25 min of biopsy, tumor and margin samples were correctly identified with >95% sensitivity and specificity without terminal processing. PARPi-FL imaging can be integrated into clinical workflows, potentially providing instantaneous assessment of the presence or absence of microscopic disease at the surgical margin. Additionally, we showed first-in-human PARPi-FL imaging in oral cancer. In aggregate, our preclinical and clinical studies have the unifying goal of verifying the clinical value of PARPi-FL-based optical imaging for early detection and intraoperative margin assignment. Clinical Trial Registration ID #[NCT03085147][1]. [1]: /lookup/external-ref?link_type=CLINTRIALGOV&access_num=NCT03085147&atom=%2Fbiorxiv%2Fearly%2F2019%2F06%2F14%2F663385.atom

Glioblastoma multiforme is a highly aggressive form of brain cancer whose location, tendency to infiltrate healthy surrounding tissue, and heterogeneity significantly limit survival, with scant progress having been made in recent decades. 123I-MAPi (Iodine-123 Meitner-Auger PARP1 inhibitor) is a precise therapeutic tool composed of a PARP1 inhibitor radiolabeled with an Auger- and gamma-emitting iodine isotope. Here, the PARP inhibitor, which binds to the DNA repair enzyme PARP1, specifically targets cancer cells, sparing healthy tissue, and carries a radioactive payload within reach of the cancer cells' DNA. The high relative biological efficacy of Auger electrons within their short range of action is leveraged to inflict DNA damage and cell death with high precision. The gamma ray emission of 123I-MAPi allows for the imaging of tumor progression and therapy response, and for patient dosimetry calculation. Here we demonstrated the efficacy and specificity of this small molecule radiotheranostic in a complex preclinical model. In vitro and in vivo studies demonstrate high tumor uptake and a prolonged survival in mice treated with 123I-MAPi when compared to vehicle controls. Different methods of drug delivery were investigated to develop this technology for clinical applications, including convection enhanced delivery (CED) and intrathecal injection. Taken together, these results represent the first full characterization of an Auger-emitting PARP inhibitor, demonstrate a survival benefit in mouse models of GBM, and confirm the high potential of 123I-MAPi for clinical translation.